ROS 2 发布者与订阅者（Publisher & Subscriber）

ROS 2 中节点间通信最基础、最核心的模式就是 发布者 / 订阅者（Pub/Sub）。本文带你理解它的原理，并用 Python 从零写出一个最小可运行的发布者和订阅者。

一、什么是发布者与订阅者？

在 ROS 2 中，一个可执行程序被称为 节点（Node）。节点之间通过 话题（Topic） 进行异步通信：

发布者（Publisher）：向某个话题发送数据（消息）。
订阅者（Subscriber）：从某个话题接收数据（消息）。

flowchart LR
    A[发布者节点<br/>talker] -->|"话题 /chatter<br/>std_msgs/String"| B[订阅者节点<br/>listener]

这种模式的几个关键特点：

特点	说明
解耦	发布者不关心谁在订阅，订阅者也不关心谁在发布，双方只通过话题名称和消息类型相连
一对多 / 多对一	一个话题可以有多个发布者、多个订阅者
异步	发布者发完即走，不等待订阅者处理完毕
无连接配置	节点无需互相知道对方的地址，由 DDS 中间件自动完成发现与传输

打个比方：话题就像广播电台的频率，消息就像广播内容。电台（发布者）只管播，听众（订阅者）打开对应频率就能收到，双方互不认识。

二、准备工作

本文基于 ROS 2 Jazzy + Python 3，假设你的环境已经配置好：

# 检查 ROS 2 是否可用
printenv ROS_DISTRO        # 应输出 jazzy

# 每次打开终端都要 source 环境（也可写入 ~/.bashrc）
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
source ~/ros_ws/install/setup.bash

三、最小代码样例

下面是最精简的发布者 / 订阅者，使用标准库消息类型 std_msgs/msg/String，话题名为 chatter。

3.1 发布者 `minimal_publisher.py`

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


class MinimalPublisher(Node):
    """每隔 0.5 秒向话题 chatter 发布一条字符串消息"""

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_publisher')          # 节点名称
        self.publisher_ = self.create_publisher(       # 创建发布者
            String,        # 消息类型
            'chatter',     # 话题名称
            10)            # 队列长度（缓存 10 条）
        self.timer = self.create_timer(0.5, self.timer_callback)  # 定时器
        self.i = 0

    def timer_callback(self):
        msg = String()
        msg.data = f'Hello World: {self.i}'            # 填充消息内容
        self.publisher_.publish(msg)                   # 发布
        self.get_logger().info(f'Publishing: "{msg.data}"')
        self.i += 1


def main(args=None):
    rclpy.init(args=args)                 # 1. 初始化 rclpy
    node = MinimalPublisher()             # 2. 创建节点
    rclpy.spin(node)                      # 3. 让节点保持运行、处理回调
    node.destroy_node()                   # 4. 清理
    rclpy.shutdown()


if __name__ == '__main__':
    main()

3.2 订阅者 `minimal_subscriber.py`

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


class MinimalSubscriber(Node):
    """订阅话题 chatter，每收到一条消息就打印出来"""

    def __init__(self):
        super().__init__('minimal_subscriber')         # 节点名称
        self.subscription = self.create_subscription(  # 创建订阅者
            String,                  # 消息类型
            'chatter',               # 话题名称
            self.listener_callback,  # 收到消息时调用的回调
            10)                      # 队列长度

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


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


if __name__ == '__main__':
    main()

3.3 代码要点解读

代码	作用
`rclpy.init()`	初始化 ROS 2 客户端库，每个进程必须调用一次
`Node('名称')`	创建节点，节点名在整个 ROS 图中需唯一
`create_publisher(Type, topic, qos)`	创建发布者：消息类型 / 话题名 / 队列深度
`create_subscription(Type, topic, cb, qos)`	创建订阅者：收到消息后自动调用回调
`create_timer(秒, 回调)`	定时触发回调，实现周期性发布
`rclpy.spin(node)`	阻塞运行节点，持续处理消息与定时器回调
`publish(msg)`	把消息发送到话题上

队列长度（QoS 深度）：订阅者处理较慢时，最多在本地缓存这么多条待处理消息，超出后丢弃最旧的。生产环境中应根据数据的重要程度合理设置。

四、完整过程（从包到运行）

第 1 步：创建功能包

在 src/ 下用官方命令创建 Python 包（这里包名用 py_pubsub 演示，也可换成你自己的名字）：

cd ~/ros_ws/src
ros2 pkg create py_pubsub --build-type ament_python --node-name publisher

--node-name publisher 会自动生成 py_pubsub/publisher.py 并在 setup.py 中注册入口。

第 2 步：放置代码文件

把上面两段代码分别保存为：

src/py_pubsub/py_pubsub/publisher.py     # 发布者
src/py_pubsub/py_pubsub/subscriber.py    # 订阅者

（也可以直接使用官方样例生成的 publisher_member_function.py / subscriber_member_function.py，本文为你手写的是更精简的版本。）

第 3 步：配置 `setup.py`

编辑 src/py_pubsub/setup.py，在 console_scripts 中注册两个可执行入口：

entry_points={
    'console_scripts': [
        'publisher = py_pubsub.publisher:main',
        'subscriber = py_pubsub.subscriber:main',
    ],
},

格式为：命令名 = 模块路径:函数名。这样构建后就能用 ros2 run py_pubsub publisher 直接启动。

第 4 步：确认 `package.xml` 依赖

确保 package.xml 里声明了 rclpy 和 std_msgs（ros2 pkg create 默认已带，可不用改）：

<exec_depend>rclpy</exec_depend>
<exec_depend>std_msgs</exec_depend>

第 5 步：构建

回到工作区根目录，构建这个包（每次改代码后都要重新构建）：

cd ~/ros_ws
colcon build --packages-select py_pubsub
source install/setup.bash

第 6 步：运行

开两个终端，分别运行发布者和订阅者：

# 终端 1：发布者
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
source ~/ros_ws/install/setup.bash
ros2 run py_pubsub publisher

# 终端 2：订阅者
source /opt/ros/jazzy/setup.bash
source ~/ros_ws/install/setup.bash
ros2 run py_pubsub subscriber

第 7 步：验证结果

订阅者终端会不断打印：I heard: "Hello World: 0"、I heard: "Hello World: 1"……
另开一个终端可以查看话题与节点信息：

ros2 topic list          # 查看所有话题，应包含 /chatter
ros2 topic echo /chatter # 实时打印话题上的消息
ros2 node list           # 查看节点：/minimal_publisher /minimal_subscriber

预期输出示例：

$ ros2 topic echo /chatter
data: 'Hello World: 42'
---
data: 'Hello World: 43'
---

五、常见问题排查

现象	原因 / 解决
`ros2 run` 提示找不到包	没 source 工作区：`source ~/ros_ws/install/setup.bash`
`ros2 run` 提示找不到可执行文件	`setup.py` 的 `console_scripts` 没注册，或改后没重新 `colcon build`
订阅者收不到消息	话题名不一致（两边必须都是 `chatter`）；或节点处于不同 `ROS_DOMAIN_ID`
改了代码但行为没变	忘记重新构建：`colcon build --packages-select py_pubsub`

六、小结

发布者/订阅者是 ROS 2 最基础的异步通信模式，通过话题 + 消息类型解耦。
用 Python 只需掌握 rclpy.init()、Node、create_publisher / create_subscription、rclpy.spin() 五个关键点。
完整流程：建包 → 写代码 → 注册入口 → 构建 → 运行，每一步缺一不可。

掌握了 Pub/Sub，你就打通了 ROS 2 程序间通信的大门，后面的服务（Service）、动作（Action）都是在此基础上的扩展。