嵌入式C語言中結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)詳解

說明：

在嵌入式系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)可以用于對于嵌入式硬件資源進(jìn)行抽象和封裝，從而提高軟件的可維護(hù)性和可移植性。 結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)通常包含數(shù)據(jù)和行為，并提供了對數(shù)據(jù)的訪問和操作方法。

比如可以將硬件驅(qū)動(dòng)函數(shù)封裝在結(jié)構(gòu)體中，方便對外提供統(tǒng)一的API接口，同時(shí)也便于代碼的移植和擴(kuò)展。 另外，結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)還可以用于實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)、任務(wù)調(diào)度等復(fù)雜的系統(tǒng)功能。

在C語言中，結(jié)構(gòu)體不僅可以封裝數(shù)據(jù)，還可以封裝函數(shù)指針。 這種方式可以用于實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)、狀態(tài)機(jī)等，提高代碼的復(fù)用性和可維護(hù)性。 特別是在嵌入式當(dāng)中，應(yīng)用是非常多的。

結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)的作用：

1. 將函數(shù)指針和參數(shù)打包成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)了代碼的模塊化和可復(fù)用性。
2. 在結(jié)構(gòu)體中可以定義多個(gè)函數(shù)指針，實(shí)現(xiàn)了對函數(shù)的分類管理和調(diào)用。
3. 結(jié)構(gòu)體可以作為函數(shù)的參數(shù)或返回值，傳遞和返回函數(shù)指針和參數(shù)。

結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)的應(yīng)用：

• 回調(diào)函數(shù)：將函數(shù)指針和參數(shù)打包成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，傳遞給API函數(shù)，在API函數(shù)內(nèi)部執(zhí)行該函數(shù)。
• 狀態(tài)機(jī)：將每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的處理函數(shù)封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。
• 事件驅(qū)動(dòng)：將事件處理函數(shù)封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，通過事件觸發(fā)調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)。
• 線程池：將任務(wù)處理函數(shù)封裝成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，加入任務(wù)隊(duì)列后由線程池調(diào)用執(zhí)行

結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)的好處：

• 更好的隱藏實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)：結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)使得函數(shù)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)被封裝在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，只有結(jié)構(gòu)體暴露給外部的函數(shù)指針，實(shí)現(xiàn)了良好的封裝和信息隱藏。
• 更加靈活的函數(shù)調(diào)用：函數(shù)指針可以被動(dòng)態(tài)修改，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的函數(shù)調(diào)用。 例如，在狀態(tài)機(jī)中，根據(jù)不同的狀態(tài)，可以將相應(yīng)的處理函數(shù)指針賦值給一個(gè)函數(shù)指針變量，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和函數(shù)的調(diào)用。
• 更加方便的擴(kuò)展性：結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)可以輕松地添加新的函數(shù)指針，從而擴(kuò)展功能。 在需要添加新功能時(shí)，只需要定義一個(gè)新的函數(shù)指針，并添加到結(jié)構(gòu)體中，就可以實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展，而不需要修改原有的代碼。
• 更加通用的代碼：結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)可以使用于各種不同的編程范式，例如面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）和函數(shù)式編程（FP），從而實(shí)現(xiàn)通用的代碼。 例如，在OOP中，結(jié)構(gòu)體可以被看作是一個(gè)對象，函數(shù)指針可以被看作是對象的方法，從而實(shí)現(xiàn)OOP編程的思想。
• 更加易于維護(hù)：結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)使得代碼更加清晰、易于維護(hù)和修改。 由于函數(shù)指針的定義和使用都在結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，因此修改或調(diào)整代碼時(shí)，只需要修改結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針定義或調(diào)用方式，而不需要修改其他部分的代碼，從而使得代碼更加健壯、易于維護(hù)和修改
• 模塊化：通過結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)，可以將多個(gè)函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組合成一個(gè)模塊，以便于模塊化設(shè)計(jì)和維護(hù)。 這種方法可以將代碼的復(fù)雜性分解到不同的模塊中，降低了代碼的耦合性，提高了代碼的可讀性和可維護(hù)性。
• 代碼復(fù)用：結(jié)構(gòu)體封裝的函數(shù)可以通過傳遞結(jié)構(gòu)體的方式重用同一個(gè)函數(shù)。 這種方式可以大大減少代碼量，提高代碼的復(fù)用性和可維護(hù)性。
• 可擴(kuò)展性：當(dāng)需要增加新的功能時(shí)，只需增加新的函數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而不需要修改現(xiàn)有代碼。 這種方式可以大大減少代碼的修改和調(diào)試時(shí)間，提高代碼的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性。
• 保護(hù)數(shù)據(jù)：通過結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)，可以將數(shù)據(jù)和函數(shù)封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，防止外部代碼對數(shù)據(jù)的非法訪問和修改。
• 提高安全性：將函數(shù)和數(shù)據(jù)封裝在一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，可以防止其他函數(shù)對數(shù)據(jù)的非法操作，從而提高程序的安全性。

舉例1

1/* 定義封裝函數(shù)結(jié)構(gòu)體由外部調(diào)用*/
 2typedef struct {
 3    int x;
 4    int y;
 5    void (*move_up)(int steps);
 6    void (*move_down)(int steps);
 7    void (*move_left)(int steps);
 8    void (*move_right)(int steps);
 9} Point;
10
11// 定義結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)
12void move_up(int steps) {
13    // 向上移動(dòng)steps個(gè)單位
14    // ...
15}
16
17void move_down(int steps) {
18    // 向下移動(dòng)steps個(gè)單位
19    // ...
20}
21
22void move_left(int steps) {
23    // 向左移動(dòng)steps個(gè)單位
24    // ...
25}
26
27void move_right(int steps) {
28    // 向右移動(dòng)steps個(gè)單位
29    // ...
30}
31
32int main() {
33    // 初始化結(jié)構(gòu)體
34    Point point = {
35        .x = 0,
36        .y = 0,
37        .move_up = move_up,
38        .move_down = move_down,
39        .move_left = move_left,
40        .move_right = move_right
41    };
42
43    // 調(diào)用結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)
44    point.move_up(10);
45    point.move_right(5);
46
47    return 0;
48}

在上面的示例代碼中，我們定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)體Point，其中包含了兩個(gè)整型變量x和y，以及四個(gè)函數(shù)指針move_up、move_down、move_left和move_right。 每個(gè)函數(shù)指針指向一個(gè)移動(dòng)函數(shù)，用于在平面坐標(biāo)系中移動(dòng)點(diǎn)的位置。 通過使用結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)，我們可以將函數(shù)和數(shù)據(jù)封裝在一起，方便地進(jìn)行操作和管理。

在main()函數(shù)中，我們首先通過初始化的方式，將結(jié)構(gòu)體中的成員變量和函數(shù)指針初始化。 然后，我們使用結(jié)構(gòu)體中的函數(shù)指針，調(diào)用了move_up()和move_right()函數(shù)，分別將點(diǎn)向上移動(dòng)10個(gè)單位和向右移動(dòng)5個(gè)單位。

值得注意的是，在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)實(shí)際情況修改函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，以及結(jié)構(gòu)體中的成員變量和函數(shù)指針的數(shù)量和類型。 同時(shí)避免濫用。

舉例2

1typedef struct {
 2    void (*init)(void);
 3    void (*write)(uint8_t data);
 4    uint8_t (*read)(void);
 5} spi_t;
 6
 7void spi_init(void) {
 8    /* SPI初始化代碼 */
 9}
10
11void spi_write(uint8_t data) {
12    /* SPI寫入數(shù)據(jù) */
13}
14
15uint8_t spi_read(void) {
16    /* SPI讀取數(shù)據(jù) */
17}
18
19int main(void) {
20    spi_t spi = {spi_init, spi_write, spi_read};
21
22    spi.init();
23    spi.write(0xAA);
24    uint8_t data = spi.read();
25
26    return 0;
27}

在舉例2這個(gè)例子中，我們定義了一個(gè)spi_t類型的結(jié)構(gòu)體，它包含了三個(gè)成員函數(shù)指針，分別對應(yīng)SPI總線的初始化、寫入和讀取操作。 在main函數(shù)中，我們定義了一個(gè)spi結(jié)構(gòu)體變量，并且初始化它的函數(shù)指針成員。 接下來，我們通過spi結(jié)構(gòu)體變量的函數(shù)指針成員，分別調(diào)用了SPI總線的初始化、寫入和讀取操作。

使用結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)可以使代碼更加清晰明了，減少了代碼的冗余和重復(fù)，同時(shí)也方便代碼的擴(kuò)展和維護(hù)。

舉例3

假設(shè)我們需要控制一個(gè)LED燈的亮度，可以使用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。 為了方便控制，我們可以使用一個(gè)結(jié)構(gòu)體來封裝控制LED燈的函數(shù)和變量。

1typedef struct {
 2    uint8_t duty_cycle;     // 占空比
 3    void (*set_duty_cycle)(uint8_t duty_cycle);  // 設(shè)置占空比的函數(shù)指針
 4    void (*start)(void);    // 啟動(dòng)PWM輸出的函數(shù)指針
 5    void (*stop)(void);     // 停止PWM輸出的函數(shù)指針
 6} pwm_control_t;
 7
 8// 設(shè)置占空比
 9void set_duty_cycle(uint8_t duty_cycle) {
10    // 設(shè)置占空比的代碼
11}
12
13// 啟動(dòng)PWM輸出
14void start_pwm(void) {
15    // 啟動(dòng)PWM輸出的代碼
16}
17
18// 停止PWM輸出
19void stop_pwm(void) {
20    // 停止PWM輸出的代碼
21}
22
23int main(void) {
24    pwm_control_t pwm;
25
26    pwm.duty_cycle = 50;   // 設(shè)置占空比為50%
27    pwm.set_duty_cycle = set_duty_cycle;
28    pwm.start = start_pwm;
29    pwm.stop = stop_pwm;
30
31    pwm.set_duty_cycle(pwm.duty_cycle);  // 設(shè)置占空比
32    pwm.start();  // 啟動(dòng)PWM輸出
33
34    while (1) {
35        // 循環(huán)執(zhí)行其他任務(wù)
36    }
37}

在上面的代碼中，我們定義了一個(gè)名為pwm_control_t的結(jié)構(gòu)體，其中包含了一個(gè)占空比成員變量duty_cycle和三個(gè)函數(shù)指針set_duty_cycle、start和stop。 set_duty_cycle函數(shù)用于設(shè)置占空比，start函數(shù)用于啟動(dòng)PWM輸出，stop函數(shù)用于停止PWM輸出。

在main函數(shù)中，我們創(chuàng)建了一個(gè)pwm_control_t類型的結(jié)構(gòu)體變量pwm，并分別給結(jié)構(gòu)體的成員變量和函數(shù)指針賦值。 接著，我們調(diào)用了set_duty_cycle和start函數(shù)來設(shè)置占空比和啟動(dòng)PWM輸出。

結(jié)構(gòu)體封裝函數(shù)的好處在于，我們可以通過創(chuàng)建不同的結(jié)構(gòu)體變量來控制多個(gè)LED燈，而且不同的LED燈可以使用不同的PWM參數(shù)。 此外，如果需要修改PWM輸出的實(shí)現(xiàn)方式，只需要修改start和stop函數(shù)即可，而不需要修改每個(gè)LED燈。