第4章：话题通信实战：编写发布者与订阅者节点

好，咱们今天来点真家伙。

前面几章我们把ROS2的底层概念、环境搭建都捋了一遍。说实话，光看理论容易犯困。我当年学ROS2的时候，最烦的就是看一堆文档，然后不知道代码怎么写。所以这一章，咱们直接上手写代码。

目标很明确：用C++和Python各写一对发布者(Publisher)和订阅者(Subscriber)节点。先传字符串，再传自定义消息。嗯，这是ROS2通信的基石，也是你后续所有机器人开发的基础。

4.1 先聊聊话题通信的本质

话题通信，说白了就是发布-订阅模式。一个节点发消息，一个或多个节点收消息。发的人不管谁在收，收的人也不管谁在发。这种解耦设计，在嵌入式系统里特别实用。

我做过一个多传感器融合的项目，激光雷达、摄像头、IMU各跑各的节点。如果都用服务通信，那代码耦合度会高到让人崩溃。话题通信让每个传感器节点只管往外扔数据，融合节点自己挑着收就行。

为什么会这样设计？因为机器人系统里，数据流往往是单向的、持续的。比如里程计数据，每秒几十次，你不可能每次都去请求一下。话题通信的异步特性，正好解决这个问题。

核心要点：

  • 发布者：只管发布，不关心谁在订阅
  • 订阅者：只管接收，不关心谁在发布
  • 话题名：双方通过同一个字符串名称匹配
  • 消息类型：双方必须使用完全相同的消息定义

4.2 准备工作：创建功能包

动手之前，先把工作空间搭好。我个人习惯用colcon构建，干净利落。

# 创建工作空间
mkdir -p ~/ros2_ws/src
cd ~/ros2_ws/src

# 创建功能包，同时支持C++和Python
ros2 pkg create --build-type ament_cmake chapter4_talker_listener \
    --dependencies rclcpp std_msgs

# 再创建一个纯Python包，方便对比
ros2 pkg create --build-type ament_python chapter4_py_talker_listener \
    --dependencies rclpy std_msgs

注意这里我加了--dependencies参数。很多新手会忘记加，然后编译报错才回头补。我建议你一开始就把依赖写清楚，省得后面折腾。

4.3 C++实现：字符串发布者

先来C++版本。为什么先写C++？因为ROS2底层就是C++写的，性能更好。在嵌入式场景下，我通常用C++写核心节点。

在chapter4_talker_listener/src目录下创建talker.cpp：

#include <chrono>
#include <memory>
#include <string>

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

using namespace std::chrono_literals;

class TalkerNode : public rclcpp::Node
{
public:
    TalkerNode() : Node("talker_node")
    {
        publisher_ = this->create_publisher<std_msgs::msg::String>("chatter", 10);
        timer_ = this->create_wall_timer(
            500ms, std::bind(&TalkerNode::timer_callback, this));
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "发布者节点已启动");
    }

private:
    void timer_callback()
    {
        auto message = std_msgs::msg::String();
        message.data = "Hello, ROS2! 第 " + std::to_string(count_++) + " 条消息";
        publisher_->publish(message);
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "发布: '%s'", message.data.c_str());
    }

    rclcpp::Publisher<std_msgs::msg::String>::SharedPtr publisher_;
    rclcpp::TimerBase::SharedPtr timer_;
    size_t count_ = 0;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<TalkerNode>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

这段代码里，我用了create_wall_timer定时触发。为什么不用死循环加sleep？因为ROS2的spin机制会阻塞主线程，用定时器更优雅。我曾经见过有人用while(1)加sleep，结果节点无法正常退出，Ctrl+C都杀不死。嗯，定时器才是正道。

4.4 C++实现：字符串订阅者

同样在src目录下创建listener.cpp：

#include <memory>

#include "rclcpp/rclcpp.hpp"
#include "std_msgs/msg/string.hpp"

class ListenerNode : public rclcpp::Node
{
public:
    ListenerNode() : Node("listener_node")
    {
        subscription_ = this->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
            "chatter", 10, std::bind(&ListenerNode::topic_callback, this, std::placeholders::_1));
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "订阅者节点已启动");
    }

private:
    void topic_callback(const std_msgs::msg::String &msg) const
    {
        RCLCPP_INFO(this->get_logger(), "收到: '%s'", msg.data.c_str());
    }

    rclcpp::Subscription<std_msgs::msg::String>::SharedPtr subscription_;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    rclcpp::init(argc, argv);
    rclcpp::spin(std::make_shared<ListenerNode>());
    rclcpp::shutdown();
    return 0;
}

注意看回调函数的参数类型：const std_msgs::msg::String &msg。这里用引用传递，避免拷贝。在嵌入式设备上，消息体可能很大（比如图像），用引用能省不少内存。

小技巧：回调函数里不要做耗时操作。如果你需要处理数据，请把数据放到队列里，另起线程处理。否则会阻塞消息接收，导致丢包。我踩过这个坑，当时IMU数据一直丢，查了两天才发现是回调里做了FFT计算。

4.5 配置CMakeLists.txt

别忘了把这两个源文件加到编译列表里。打开CMakeLists.txt，在末尾添加：

add_executable(talker src/talker.cpp)
ament_target_dependencies(talker rclcpp std_msgs)

add_executable(listener src/listener.cpp)
ament_target_dependencies(listener rclcpp std_msgs)

install(TARGETS
    talker
    listener
    DESTINATION lib/${PROJECT_NAME}
)

这里有个细节：install部分很多人会漏掉。不写的话，编译出来的可执行文件不会安装到install目录，运行时会找不到。我刚开始学的时候，每次都要手动拷贝，后来才发现是install没写。

4.6 Python实现：发布者与订阅者

Python版本更适合快速原型验证。在嵌入式开发中，我经常先用Python写个demo，确认逻辑没问题，再转成C++。

在chapter4_py_talker_listener/chapter4_py_talker_listener目录下创建talker.py：

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class TalkerNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('talker_node')
        self.publisher_ = self.create_publisher(String, 'chatter', 10)
        timer_period = 0.5  # 500ms
        self.timer = self.create_timer(timer_period, self.timer_callback)
        self.count = 0
        self.get_logger().info('发布者节点已启动')

    def timer_callback(self):
        msg = String()
        msg.data = f'Hello, ROS2! 第 {self.count} 条消息'
        self.publisher_.publish(msg)
        self.get_logger().info(f'发布: "{msg.data}"')
        self.count += 1

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = TalkerNode()
    rclpy.spin(node)
    node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

再创建listener.py：

import rclpy
from rclpy.node import Node
from std_msgs.msg import String

class ListenerNode(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('listener_node')
        self.subscription = self.create_subscription(
            String,
            'chatter',
            self.listener_callback,
            10)
        self.subscription  # 防止被垃圾回收
        self.get_logger().info('订阅者节点已启动')

    def listener_callback(self, msg):
        self.get_logger().info(f'收到: "{msg.data}"')

def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)
    node = ListenerNode()
    rclpy.spin(node)
    node.destroy_node()
    rclpy.shutdown()

if __name__ == '__main__':
    main()

Python代码看起来更简洁。但注意那个self.subscription赋值，很多人会问为什么还要再写一遍？因为Python的垃圾回收机制，如果不用变量保存，订阅对象会被回收，导致收不到消息。我刚开始写Python ROS2时就被这个坑过，调试了半天才发现是引用丢了。

4.7 自定义消息：定义.msg文件

字符串消息太简单了，实际项目中我们更需要自定义消息。比如传一个包含温度、湿度、时间戳的传感器数据。

在chapter4_talker_listener包下创建msg目录，新建SensorData.msg：

# 传感器数据结构
float32 temperature    # 温度，单位：摄氏度
float32 humidity       # 湿度，单位：百分比
int64 timestamp        # 时间戳，单位：微秒
string device_id       # 设备ID

然后修改CMakeLists.txt，添加消息生成支持：

find_package(rosidl_default_generators REQUIRED)

rosidl_generate_interfaces(${PROJECT_NAME}
    "msg/SensorData.msg"
)

ament_export_dependencies(rosidl_default_runtime)

别忘了在package.xml里添加依赖：

<build_depend>rosidl_default_generators</build_depend>
<exec_depend>rosidl_default_runtime</exec_depend>
<member_of_group>rosidl_interface_packages</member_of_group>

4.8 使用自定义消息的发布者

修改talker.cpp，使用自定义消息：

#include "chapter4_talker_listener/msg/sensor_data.hpp"

// 在回调函数中
auto message = chapter4_talker_listener::msg::SensorData();
message.temperature = 25.5 + (rand() % 100) / 10.0;
message.humidity = 60.0 + (rand() % 100) / 10.0;
message.timestamp = this->now().nanoseconds() / 1000;
message.device_id = "sensor_01";
publisher_->publish(message);

注意：自定义消息的头文件路径是包名/msg/消息名.hpp。很多人会写成msg/sensor_data.hpp，编译会报找不到头文件。这是ROS2的命名空间规则，习惯了就好。

4.9 编译与运行测试

回到工作空间根目录：

cd ~/ros2_ws
colcon build --packages-select chapter4_talker_listener chapter4_py_talker_listener
source install/setup.bash

开三个终端，分别运行：

# 终端1：C++发布者
ros2 run chapter4_talker_listener talker

# 终端2：C++订阅者
ros2 run chapter4_talker_listener listener

# 终端3：Python订阅者（可以同时订阅）
ros2 run chapter4_py_talker_listener listener

你会看到C++和Python的订阅者都能收到消息。这就是ROS2跨语言通信的魅力。我当年第一次看到C++发的消息被Python节点收到时，觉得这玩意儿真神奇。其实底层用的是DDS，语言只是封装。

4.10 避坑指南与调试技巧

写到这里，我总结几个实战中容易踩的坑：

  • 话题名拼写错误：发布者和订阅者的话题名必须完全一致，大小写敏感。我曾经把chatter写成chater，找了半小时bug。
  • QoS设置不匹配：默认的QoS配置是10（队列深度）。如果发布者用10，订阅者用1，可能会丢消息。建议双方保持一致。
  • 忘记source setup.bash：每次新开终端都要source，或者加到.bashrc里。我习惯用echo "source ~/ros2_ws/install/setup.bash" >> ~/.bashrc一劳永逸。
  • 自定义消息未编译：修改了.msg文件后，必须重新编译整个包。只编译依赖包是不够的。

调试利器：用ros2 topic list查看当前所有话题，用ros2 topic echo /chatter直接看消息内容。这两个命令能帮你快速定位通信问题。

好了，这一章的内容就到这里。你想想看，从字符串到自定义消息，从C++到Python，你已经掌握了ROS2话题通信的核心。下一章我们会聊服务通信，那是另一种模式——请求-响应。到时候你会发现，话题和服务各有各的用武之地。

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