在一次移动机器人底盘开发联调中，电机控制命令每50ms通过话题发布一次。机器人跑起来后频繁出现卡顿——抓取话题统计发现，电机控制回调的最大执行间隔达到了130ms，远超50ms的发布周期。进一步排查锁定：激光雷达数据处理回调每次执行耗时80ms，正好与电机控制回调在同一个线程中排队执行。这就是典型的实时性冲突：高频率、时间敏感的任务被低频率、长耗时的任务阻塞。

实时性的核心概念

特性	硬实时	软实时
截止时间违反后果	系统失效或安全事故	性能下降、体验变差
典型应用	刹车控制、安全气囊、电机电流环	视频流处理、导航规划、状态估计
ROS2典型场景	关节伺服控制、安全联锁	路径规划、传感器融合、日志记录
调度策略	SCHED_FIFO + 高实时优先级	SCHED_OTHER 或低实时优先级
时间确定性要求	最坏情况响应时间必须小于截止时间	平均延迟可接受，允许偶尔超时

实时性的本质不是"快"，而是"可预测"。一个系统就算单次处理速度极快，如果任务完成时间忽长忽短，也不能称为实时系统。 在ROS2中，实时性保障体现在三个层面：操作系统层面（Linux实时补丁、线程优先级配置）、中间件层面（DDS的QoS策略），以及框架层面（Executor调度机制）。本章聚焦框架层面的Executor与线程优先级管理。

ROS2执行器与回调组

Executor是ROS2中负责调度回调函数执行的组件。默认的SingleThreadedExecutor将所有回调在单个线程中按顺序执行——代码简单但存在互相阻塞的风险，开篇的故障正是这个原因。 MultiThreadedExecutor使用线程池并行执行回调，可以配置线程数量。但线程多并不直接等于实时性高——必须配合回调组（Callback Group）合理划分任务。回调组有两种类型：

• MutuallyExclusive（互斥型）：同一回调组内的所有回调互斥执行，任意时刻只有一个回调在运行。适合对同一资源有互斥访问需求的场景。
• Reentrant（可重入型）：同一回调组内的回调可以并发执行，不施加互斥约束。适合无共享资源的独立任务。

实际开发中，我会把高频率的控制回调放在一个独立的MutuallyExclusive组中，与长耗时的感知处理回调彻底隔离开。这样即使感知回调执行了80ms，控制回调也能在独立线程中按时触发。

auto control_cb_group = node->create_callback_group(
    rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);
auto sensor_cb_group = node->create_callback_group(
    rclcpp::CallbackGroupType::MutuallyExclusive);

rclcpp::SubscriptionOptions opts;
opts.callback_group = control_cb_group;

auto cmd_sub = node->create_subscription<std_msgs::msg::String>(
    "motor_cmd", 10, 
    [](const std_msgs::msg::String::SharedPtr msg) {
        // 电机控制处理——高实时要求
    }, opts);

rclcpp::executors::MultiThreadedExecutor executor(
    rclcpp::ExecutorOptions(), 4);
executor.add_node(node);
executor.spin();

实时线程配置实践

在Linux上运行ROS2实时节点，需要配置线程的调度策略和优先级。Linux提供三种调度策略：

调度策略	行为特点	适用场景
SCHED_OTHER（默认）	完全公平调度，动态优先级	普通任务，无实时要求
SCHED_FIFO	先入先出，高优先级可抢占低优先级	硬实时任务，如电机控制环
SCHED_RR	时间片轮转，同优先级轮流执行	多个同等重要的实时任务

// 在节点初始化中设置实时调度
#include <sched.h>

void set_realtime_priority(int priority) {
    struct sched_param param;
    param.sched_priority = priority;
    int ret = sched_setscheduler(
        0,                    // 当前线程
        SCHED_FIFO,
        &param);
    if (ret != 0) {
        RCLCPP_WARN(node->get_logger(), 
            "设置实时优先级失败，需以root权限运行");
    }
}