话题通信基础：话题模型（发布/订阅模式）、Publisher与Subscriber的API、自定义消息类型

各位同学，欢迎来到第三章。今天咱们聊聊ROS里最核心、最常用的通信方式——话题通信。说白了，话题就是ROS世界里的一条“消息高速公路”。

我刚开始接触ROS时，最困惑的就是：节点之间到底怎么说话？后来搞明白了，其实就两种模式：一种是“你问我答”（服务通信），另一种就是今天要讲的“你发我看”（话题通信）。

3.1 话题模型：发布/订阅模式

话题模型，本质上是一个发布/订阅模式。想象一下，你订阅了一个公众号。公众号作者（发布者）每次发文章，你（订阅者）就能收到。作者不知道谁订阅了他，你也不知道作者还有多少其他粉丝。这就是解耦。

在ROS里，一个节点可以发布话题，另一个节点可以订阅这个话题。发布者只管发，订阅者只管收。它们之间不需要建立直接连接。嗯，这里要注意：一个话题可以有多个发布者和多个订阅者。

我曾在项目中遇到过一个问题：两个传感器节点同时发布同一个话题，结果订阅者收到的数据乱套了。后来发现，ROS默认不会对多个发布者的消息做同步处理。所以，如果你有多个发布者，一定要在订阅者端做好时间戳校验。

3.2 Publisher与Subscriber的API

讲完模型，咱们直接上代码。ROS里创建发布者和订阅者，其实就几个API调用。我个人习惯用C++，因为性能好，但Python写起来更直观。这里我两种都给你展示一下。

3.2.1 创建Publisher（C++）

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "talker");
    ros::NodeHandle nh;

    // 创建发布者，话题名为"chatter"，队列大小为1000
    ros::Publisher pub = nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000);

    ros::Rate loop_rate(10); // 10Hz
    while (ros::ok())
    {
        std_msgs::String msg;
        msg.data = "Hello ROS!";

        pub.publish(msg); // 发布消息
        ros::spinOnce();
        loop_rate.sleep();
    }
    return 0;
}

你看，nh.advertise<std_msgs::String>("chatter", 1000) 这行就是创建发布者。模板参数是消息类型，第一个参数是话题名，第二个参数是队列大小。队列大小是什么意思？说白了，就是如果订阅者处理不过来，ROS会帮你缓存多少条消息。

3.2.2 创建Subscriber（C++）

#include <ros/ros.h>
#include <std_msgs/String.h>

void chatterCallback(const std_msgs::String::ConstPtr& msg)
{
    ROS_INFO("I heard: [%s]", msg->data.c_str());
}

int main(int argc, char **argv)
{
    ros::init(argc, argv, "listener");
    ros::NodeHandle nh;

    // 创建订阅者，订阅"chatter"话题，回调函数为chatterCallback
    ros::Subscriber sub = nh.subscribe("chatter", 1000, chatterCallback);

    ros::spin(); // 进入循环，等待回调
    return 0;
}

订阅者更简单。你只需要提供一个回调函数。每当有消息到达，ROS就会自动调用这个函数。注意ros::spin()，它会让程序一直运行，等待消息。如果你有多个回调，也可以用ros::spinOnce()手动控制。

3.2.3 Python版本

Python的API更简洁，我直接贴代码：

#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String

def talker():
    pub = rospy.Publisher('chatter', String, queue_size=10)
    rospy.init_node('talker', anonymous=True)
    rate = rospy.Rate(10) # 10hz
    while not rospy.is_shutdown():
        msg = "hello world %s" % rospy.get_time()
        pub.publish(msg)
        rate.sleep()

if __name__ == '__main__':
    try:
        talker()
    except rospy.ROSInterruptException:
        pass

订阅者：

#!/usr/bin/env python
import rospy
from std_msgs.msg import String

def callback(data):
    rospy.loginfo("I heard %s", data.data)

def listener():
    rospy.init_node('listener', anonymous=True)
    rospy.Subscriber("chatter", String, callback)
    rospy.spin()

if __name__ == '__main__':
    listener()

你想想看，Python版本是不是更清爽？但C++性能更好，适合高频场景。我个人在写底层驱动时用C++，在写上层逻辑时用Python。

3.3 自定义消息类型

ROS内置的消息类型（比如String、Int32、Pose）够用吗？说实话，大部分时候不够。你想想，如果你要发送一个包含“温度、湿度、气压”的数据包，用三个独立的话题？太麻烦了。这时候就需要自定义消息类型。

3.3.1 创建.msg文件

在功能包下创建一个msg文件夹，然后新建一个SensorData.msg文件：

float32 temperature
float32 humidity
float32 pressure
string sensor_id
time timestamp

就这么简单。每一行是一个字段，格式是“类型 名称”。支持的类型包括：int8、int16、int32、float32、float64、string、time、duration，以及其他的msg类型。

3.3.2 修改CMakeLists.txt和package.xml

创建完.msg文件，还需要告诉编译系统。在CMakeLists.txt中：

find_package(catkin REQUIRED COMPONENTS
  roscpp
  rospy
  std_msgs
  message_generation
)

add_message_files(
  FILES
  SensorData.msg
)

generate_messages(
  DEPENDENCIES
  std_msgs
)

在package.xml中：

<build_depend>message_generation</build_depend>
<exec_depend>message_runtime</exec_depend>

3.3.3 使用自定义消息

编译成功后，你就可以像使用内置消息一样使用它了：

#include <your_package/SensorData.h>

// 发布
your_package::SensorData msg;
msg.temperature = 25.5;
msg.humidity = 60.0;
msg.pressure = 1013.25;
msg.sensor_id = "sensor_01";
msg.timestamp = ros::Time::now();
pub.publish(msg);

// 订阅回调
void callback(const your_package::SensorData::ConstPtr& msg)
{
    ROS_INFO("Temp: %.2f, Hum: %.2f", msg->temperature, msg->humidity);
}

Python版本类似：

from your_package.msg import SensorData

msg = SensorData()
msg.temperature = 25.5
msg.humidity = 60.0
pub.publish(msg)

3.4 总结与建议

好了，这一章的内容就这些。咱们回顾一下：

概念	说明
话题模型	发布/订阅模式，异步、匿名、多对多
Publisher API	advertise() 创建，publish() 发送
Subscriber API	subscribe() 创建，回调函数处理
自定义消息	.msg文件 + CMakeLists.txt + package.xml

我个人建议：刚开始学的时候，先用内置消息类型跑通流程。等熟悉了，再尝试自定义消息。别一上来就搞复杂的数据结构，容易把自己绕晕。

下一章，咱们会讲服务通信。那是另一种模式——“你问我答”。到时候你会发现，话题和服务就像ROS的两条腿，缺一不可。