这个c语言技巧,刷新了我对结构体的认知!

Posted 小麦大叔

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了这个c语言技巧,刷新了我对结构体的认知!相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

【说在前面的话】


2022年了,想必已经不会有人对嵌入式开发中“数据结构(Data Structure)”的作用产生疑问了吧?无论你是否心存疑惑,本文都将给你一个完全不同的视角。

每每说起数据结构,很多人脑海里复现的一定是以下的内容:

  • 看似简单,但实际操作起来很容易出错的链表;

  • 每天都挂在嘴边的队列;

  • 程序跑飞的第一嫌疑人(没有之一):栈——其实平时根本没有自己用过;

  • 稀里糊涂揉在一起说的“堆栈”——其实脑海里想的只是malloc,其实跟栈(Stack)一毛钱关系都没有

  • 几乎从未触碰过的树(Tree)和图(Graph)

数据结构其实不是一个高大上的名词,它意外的非常朴实——你也许每天都在用。作为一个新坑,我将在【非常C结构】系列文章中为大家分享很多嵌入式开发中很多“非常”而又“好用”的数据结构

【人人都可以学会的“表格”】


你不必学过所谓的“关系数据库”也可以理解“表格(Table)”这种数据结构的本质含义。

在C语言环境中,表格的本质就是结构体数组,即:由结构体组成的数组。这里:

  • 表格由一条条的“记录(Record)”构成,有时候也被称为“条目(Item)”

  • 结构体负责定义每条“记录”中内容的构成

  • 一个表格就是一个结构体数组

在嵌入式系统中,表格具有以下特点:

  • 是一个常量数组,以const来修饰,一般保存在ROM(比如Flash)中

  • 在编译时刻初始化

  • 在运行时刻使用

  • 以极其紧凑的形式保存数据

  • 能够以“数组+下标”的形式加以访问

如果一个需求能够1)接受上述的特点;或者2)本身就具有上述特点;或者3)部分内容经过改造后可以接受上述特点——那么,就可以使用表格来保存数据了。

一个典型的例子就是:交互菜单。

很容易看到,每一级菜单本质上都“可以”是一个表格。


虽然在很多UI设计工具中(比如LVGL),菜单的内容是在运行时刻动态生成的(用链表来实现),但在嵌入式系统中,动态生成表格本身并不是一个“必须使用”的特性,相反,由于产品很多时候功能固定——菜单的内容也是固定的,因此完全没有必要在运行时刻进行动态生成——这就满足了表格的“在编译时刻初始化”的要求。


采用表格的形式来保存菜单,就获得了在ROM中保存数据、减少RAM消耗的的优势。同时,数组的访问形式又进一步简化了用户代码。

另外一个常见用到表格的例子是消息地图(Message Map),它在通信协议栈解析类的应用中非常常见,在很多结构紧凑功能复杂的bootloader中也充当着重要的角色。

如果你较真起来,菜单也不过消息地图的一种。表格不是实现消息地图的唯一方式,但却是最简单、最常用、数据存储密度最高的形式。在后续的例子中,我们就以“消息地图”为例,深入聊聊表格的使用和优化。

【表格的定义】


一般来说,表格由两部分构成:

  • 记录(又叫条目)

  • 记录的容器

因此,表格的定义也分为两个部分:

  • 定义记录/条目的结构体类型

  • 定义容器的类型

记录的定义一般格式如下:

typedef struct <表格名称>_item_t  <表格名称>_item_t;


struct <表格名称>_item_t 
    // 每条记录中的内容
;

这里,第一行的typedef所在行的作用是“前置声明”;struct所在行的作用是定义结构体的实际内容。虽然我们完全可以将“前置声明”和“结构体定义”合二为一,写作:

typedef struct <表格名称>_item_t 
    // 每条记录中的内容
 <表格名称>_item_t;

但基于以下原因,我们还是推荐大家坚持第一种写法:

  • 由于“前置声明”的存在,我们可以在结构体定义中直接使用“<表格名称>_item_t” 来定义指针;

  • 由于“前置声明”的存在,多个不同类型的记录之间可以“交叉”定义指针。

以消息地图为例,一个常见的记录结构体定义如下:

typedef struct msg_item_t msg_item_t;


struct msg_item_t 
    uint8_t chID;                 //!< 指令
    uint8_t chAccess;             //!< 访问权限检测
    uint16_t hwValidDataSize;          //!< 数据长度要求
    bool (*fnHandler)(msg_item_t *ptMSG,   
                      void *pData, 
                      uint_fast16_t hwSize);
;

在这个例子中,我们脑补了一个通信指令系统,当我们通过通信前端进行数据帧解析后,获得了以下的内容:

  • 8bit的指令

  • 用户传来的不定长数据

为了方便指令解析,我们也需要有针对性的来设计每一条指令的内容,因此,我们加入了 chID 来存储指令码;并加入了函数指针fnHandler来为当前指令绑定一个处理函数;考虑到每条指令所需的最小有效数据长度是已知的,因此,我们通过hwValidDataSize来记录这一信息,以便进行信息检索时快速的做出判断。具体如何使用,我们后面再说。

对表格来说,容器是所有记录的容身之所,可以简单,但不可以缺席。最简单的容器就是数组,例如:

const msg_item_t c_tMSGTable[20];

这里,msg_item_t 类型的数组就是表格的容器,而且我们手动规定了数组中元素的个数。实践中,我们通常不会像这样手动的“限定”表格中元素的个数,而是直接“偷懒”——埋头初始化数组,然后让编译器替我们去数数——根据我们初始化元素的个数来确定数组的元素数量,例如:

const msg_item_t c_tMSGTable[] = 
    [0] = 
        .chID = 0,
        .fnHandler = NULL,
    ,
    [1] = 
        ...
    ,
    ...
;

上述写法是C99语法,不熟悉的小伙伴可以再去翻翻语法书哦。说句题外话,2022年了,连顽固不化的Linux都拥抱C11了,不要再抱着C89规范不放了,起码用个C99没问题的

上面写法的好处主要是方便我们偷懒,减少不必要的“数数”过程。那么,我们要如何知道一个表格中数组究竟有多少个元素呢?别慌,我们有 sizeof()

#ifndef dimof
#   dimof(__array)     (sizeof(__array)/sizeof(__array[0]))
#endif

这个语法糖 dimof() 可不是我发明的,不信你问Linux。它的原理很简单,当我们把数组名称传给 dimof() 时,它会:

  1. 通过 sizeof(<数组>) 来获取整个目标数组的字节尺寸;

  2. 通过 sizeof(<数组>[0]) 来获取数组第一个元素的字节尺寸——也就是数组元素的尺寸;

  3. 通过除法获取数组中元素的个数。

【表格的访问(遍历)】


由于表格的本质是结构体数组,因此,针对表格最常见的操作就是遍历(搜索)了。还以前面消息地图为例子:

static volatile uint8_t s_chCurrentAccessPermission;


/*! \\brief 搜索消息地图,并执行对应的处理程序
 *! \\retval false  消息不存在或者消息处理函数觉得内容无效
 *! \\retval true   消息得到了正确的处理
 */
bool search_msgmap(uint_fast8_t chID,
                   void *pData,
                   uint_fast16_t hwSize)

    for (int n = 0; n < dimof(c_tMSGTable); n++) 
        msg_item_t *ptItem = &c_tMSGTable[n];
        if (chID != ptItem->chID) 
            continue;
        
        if (!(ptItem->chAccess & s_chCurrentAccessPermission)) 
            continue;  //!< 当前的访问属性没有一个符合要求
        
        if (hwSize < ptItem->hwSize) 
            continue;  //!< 数据太小了
        
        if (NULL == ptItem->fnHandler) 
            continue;  //!< 无效的指令?(不应该发生)
        
        
        //! 调用消息处理函数
        return ptItem->fnHandler(ptItem, pData, hwSize);
    
    
    return false;   //!< 没找到对应的消息

别看这个函数“很有料”的样子,其本质其实特别简单:

  • 通过for循环依次访问表格的中的每一个条目;

  • 通过 dimof 来确定 for 循环的次数

  • 找到条目后做一系列所谓的“把关工作”,比如检查权限啊,检查数据有效性啊之类的——这些部分都是具体项目具体实现的,并非访问表格所必须的——放在这里只是一种参考。

  • 如果条目符合要求,就通过函数指针执行对应的处理程序。


其实上述代码隐藏了一个特性:就是这个例子中的消息地图中允许出现chID相同的消息的——这里的技巧是:对同一个chID值的消息,我们可以针对不同的访问权限(chAccess值)来提供不同的处理函数。比如,通信系统中,我们可以设计多种权限和模式,比如:只读模式、只写模式、安全模式等等。不同模式对应不同的chAccess值。这样,对哪怕同样的指令,我们也可以根据当前模式的不同提供不同的处理函数——这只是一种思路,供大家参考。


【由多实例引入的问题】


前面的例子为我们展示表格使用的大体细节,对很多嵌入式应用场景来说,已经完全够用了。但爱思考的小伙伴一定已经发现了问题:

如果我的系统中有多个消息地图(每个消息地图中消息数量是不同的),我改怎么复用代码呢?

为了照顾还一脸懵逼的小伙伴,我把这个问题给大家翻译翻译:

  • 系统中会有多个消息地图(多个表格),这意味着,系统中会有多个表格的数组;

  • 前面的消息地图访问函数 search_msgmap() 跟某一个数组(也就是c_tMSGTable)绑定死了:

    • 只会遍历这一个固定的数组 c_tMSGTable;

    • for 循环的次数也只针对数组 c_tMSGTable;

简而言之,search_msgmap() 现在跟某一个消息地图(数组)绑定死了,如果要让它支持其它的消息地图(其它数组),就必须想办法将其与特定的数组解耦,换句话说,在使用 search_msgmap() 的时候,要提供目标的消息地图的指针,以及消息地图中元素的个数

一个头疼医头脚疼医脚的修改方案呼之欲出:

bool search_msgmap(msg_item_t *ptMSGTable,
                   uint_fast16_t hwCount,
                   uint_fast8_t chID,
                   void *pData,
                   uint_fast16_t hwSize)

    for (int n = 0; n < hwCount; n++) 
        msg_item_t *ptItem = &ptMSGTable[n];
        if (chID != ptItem->chID) 
            continue;
        
        ...
        
        //! 调用消息处理函数
        return ptItem->fnHandler(ptItem, pData, hwSize);
    
    
    return false;   //!< 没找到对应的消息

假设我们有多个消息地图,对应不同的工作模式:

const msg_item_t c_tMSGTableUserMode[] = 
    ...
;
const msg_item_t c_tMSGTableSetupMode[] = 
    ...
;


const msg_item_t c_tMSGTableDebugMode[] = 
    ...
;


const msg_item_t c_tMSGTableFactoryMode[] = 
    ...
;

在使用的时候,可以这样:

typedef enum 
    USER_MODE = 0,    //!< 普通的用户模式
    SETUP_MODE,       //!< 出厂后的安装模式
    DEBUG_MODE,       //!< 工程师专用的调试模式
    FACTORY_MODE,     //!< 最高权限的工厂模式
 comm_mode_t;


bool frame_process_backend(comm_mode_t tWorkMode,
                           uint_fast8_t chID,
                           void *pData,
                           uint_fast16_t hwSize)

    bool bHandled = false;
    switch (tWorkMode) 
        case USER_MODE:
            bHandled = search_msgmap(
                          c_tMSGTableUserMode, 
                          dimof(c_tMSGTableUserMode),
                          chID,
                          pData,
                          hwSize);
            break;
         case SETUP_MODE:
            bHandled = search_msgmap(
                          c_tMSGTableSetupMode, 
                          dimof(c_tMSGTableUserMode),
                          chID,
                          pData,
                          hwSize);
            break;
         ...
    


    return bHandled;

看起来很不错,对吧?非也非也!早得很呢。

【表格定义的完全体】


前面我们说过,表格的定义分两个部分:

  • 定义记录/条目的结构体类型

  • 定义容器的类型

其中,关于容器的定义,我们说过,数组是容器的最简单形式。那么容器定义的完全体是怎样的呢?

“还是结构体”

是的,表格条目的本质是结构体,表格容器的本质也是一个结构体:

typedef struct <表格名称>_item_t  <表格名称>_item_t;


struct <表格名称>_item_t 
    // 每条记录中的内容
;


typedef struct <表格名称>_t  <表格名称>_t;


struct <表格名称>_t 
    uint16_t hwItemSize;
    uint16_t hwCount;
    <表格名称>_item_t *ptItems;
;

容易发现,这里表格容器被定义成了一个叫做  <表格名称>_t 的结构体,其中包含了三个至关重要的元素:

  • ptItems:一个指针,指向条目数组;

  • hwCount:条目数组的元素个数

  • hwItemSize:每个条目的尺寸


这个hwItemSize其实是来凑数的,因为32位系统中指针4字节对齐的缘故,2字节的hwCount横竖会产生2字节的气泡。不理解这一点的小伙伴,可以参考文章《漫谈C变量——对齐(3)


还是以前面消息地图为例,我们来看看新的容器应该如何定义和使用:

typedef struct msg_item_t msg_item_t;


struct msg_item_t 
    uint8_t chID;                 //!< 指令
    uint8_t chAccess;             //!< 访问权限检测
    uint16_t hwValidDataSize;     //!< 数据长度要求
    bool (*fnHandler)(msg_item_t *ptMSG,   
                      void *pData, 
                      uint_fast16_t hwSize);
;


typedef struct msgmap_t msgmap_t;


struct msgmap_t 
    uint16_t hwItemSize;
    uint16_t hwCount;
    msg_item_t *ptItems;
;


const msg_item_t c_tMSGTableUserMode[] = 
    ...
;


const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    .hwItemSize = sizeof(msg_item_t),
    .hwCount = dimof(c_tMSGTableUserMode),
    .ptItems = c_tMSGTableUserMode,
;

既然有了定义,search_msgmap() 也要做相应的更新:

bool search_msgmap(msgmap_t *ptMSGMap,
                   uint_fast8_t chID,
                   void *pData,
                   uint_fast16_t hwSize)

    for (int n = 0; n < ptMSGMap->hwCount; n++) 
        msg_item_t *ptItem = &(ptMSGMap->ptItems[n]);
        if (chID != ptItem->chID) 
            continue;
        
        ...
        
        //! 调用消息处理函数
        return ptItem->fnHandler(ptItem, pData, hwSize);
    
    
    return false;   //!< 没找到对应的消息

看到这里,相信很多小伙伴内心是毫无波澜的……

“是的……是稍微优雅一点……然后呢?”

“就这!?就这?!”

别急,下面才是见证奇迹的时刻。

【要优雅……】


在前面的例子中,我们注意到表格的初始化是分两部分进行的:

const msg_item_t c_tMSGTableUserMode[] = 
    [0] = 
        .chID = 0,
        .fnHandler = NULL,
    ,
    [1] = 
        ...
    ,
    ...
;


const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    .hwItemSize = sizeof(msg_item_t),
    .hwCount = dimof(c_tMSGTableUserMode),
    .ptItems = c_tMSGTableUserMode,
;

那么,我们可不可以把它们合二为一呢?这样:

  • 所有的初始化写在一起;

  • 避免给完全用不到的条目数组起名字:

要做到这一点,我们可以使用一个类似“匿名数组”的功能:

我们想象中的样子:

const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    .hwItemSize = sizeof(msg_item_t),
    .hwCount = dimof(c_tMSGTableUserMode),
    .ptItems = const msg_item_t c_tMSGTableUserMode[] = 
          [0] = 
              .chID = 0,
              .fnHandler = NULL,
          ,
          [1] = 
              ...
          ,
          ...
      ,
;

使用“匿名数组”后的样子(也就是删除数组名称后的样子):

const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    .hwItemSize = sizeof(msg_item_t),
    .hwCount = dimof(c_tMSGTableUserMode),
    .ptItems = (msg_item_t [])
          [0] = 
              .chID = 0,
              .fnHandler = NULL,
          ,
          [1] = 
              ...
          ,
          ...
      ,
;

其实,这不是什么“黑魔法”,而是一个广为使用的GNU扩展,被称为“复合式描述(Compound literal)”,本质上就是一种以“省略”数组或结构体名称的方式来初始化数组或结构体的语法结构。具体语法介绍,小伙伴们可以参考这篇文章《C语言语法中匿名的最高境界》。

眼尖的小伙伴也许已经发现了问题:既然我们省略了变量名,那么如何通过 dimof() 来获取数组元素的个数呢?

少侠好眼力!

解决方法不仅有,而且简单粗暴:

const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    .hwItemSize = sizeof(msg_item_t),
    
    .hwCount = dimof((msg_item_t [])
          [0] = 
              .chID = 0,
              .fnHandler = NULL,
          ,
          [1] = 
              ...
          ,
          ...
      ),
      
    .ptItems = (msg_item_t [])
          [0] = 
              .chID = 0,
              .fnHandler = NULL,
          ,
          [1] = 
              ...
          ,
          ...
      ,
;

所以说?……

为了优雅的初始化……

我们要把同样的内容写两次?!!

手写的确挺愚蠢,但宏可以啊!

#define __impl_table(__item_type, ...)                   \\
    .ptItems = (__item_type [])                         \\
        __VA_ARGS__                                      \\
    ,                                                   \\
    .hwCount = sizeof((__item_type [])  __VA_ARGS__ )  \\
             / sizeof(__item_type),                      \\
    .hwItemSize = sizeof(__item_type)


#define impl_table(__item_type, ...)                     \\
    __impl_table(__item_type, __VA_ARGS__)

借助上面的语法糖,我们可以轻松的将整个表格的初始化变得简单优雅:

const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    impl_table(msg_item_t, 
          [0] = 
              .chID = 0,
              .fnHandler = NULL,
          ,
          [1] = 
              ...
          ,
          ...
    ),
;

这下舒服了吧?

【禁止套娃……】


还记得前面多实例的例子吧?

const msg_item_t c_tMSGTableUserMode[] = 
    ...
;
const msg_item_t c_tMSGTableSetupMode[] = 
    ...
;


const msg_item_t c_tMSGTableDebugMode[] = 
    ...
;


const msg_item_t c_tMSGTableFactoryMode[] = 
    ...
;

现在当然就要改为如下的形式了:

const msgmap_t c_tMSGMapUserMode = 
    impl_table(msg_item_t, 
        ...
    ),
;


const msgmap_t c_tMSGMapSetupMode = 
    impl_table(msg_item_t, 
        ...
    ),
;


const msgmap_t c_tMSGMapDebugMode = 
    impl_table(msg_item_t, 
        ...
    ),
;


const msgmap_t c_tMSGMapFactoryMode = 
    impl_table(msg_item_t, 
        ...
    ),
;

但……它们不都是 msgmap_t 类型的么?为啥不做一个数组呢?

typedef enum 
    USER_MODE = 0,    //!< 普通的用户模式
    SETUP_MODE,       //!< 出厂后的安装模式
    DEBUG_MODE,       //!< 工程师专用的调试模式
    FACTORY_MODE,     //!< 最高权限的工厂模式
 comm_mode_t;


const msgmap_t c_tMSGMap[] = 
    [USER_MODE] = 
        impl_table(msg_item_t, 
            ...
        ),
    ,
    [SETUP_MODE] = 
        impl_table(msg_item_t, 
            ...
        ),
    ,
    [DEBUG_MODE] = 
        impl_table(msg_item_t, 
            ...
        ),
    ,
    [FACTORY_MODE] = 
        impl_table(msg_item_t, 
            ...
        ),
    ,
;

是不是有点意思了?再进一步,我们完全可以做一个新的表格,表格的元素就是 msgmap_t 呀?

typedef struct cmd_modes_t cmd_modes_t;


struct cmd_modes_t 
    uint16_t hwItemSize;
    uint16_t hwCount;
    msgmap_t *ptItems;
;

然后就可以开始套娃咯:

const cmd_modes_t c_tCMDModes = 
    impl_table(msgmap_t,
        [USER_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                [0] = 
                    .chID = 0,
                    .fnHandler = NULL,
                ,
                [1] = 
                    ...
                ,
                ...
            ),
        ,
        [SETUP_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
        ,
        [DEBUG_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
        ,
        [FACTORY_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
        ,
    ),
;

【差异化……】


在前面的例子中,我们可以根据新的定义方式更新函数 frame_process_backend() 函数:

extern const cmd_modes_t c_tCMDModes;


bool frame_process_backend(comm_mode_t tWorkMode,
                           uint_fast8_t chID,
                           void *pData,
                           uint_fast16_t hwSize)

    bool bHandled = false;
    
    if (tWorkMode > FACTORY_MODE) 
        return false;
    
    
    return search_msgmap( &(c_tCMDModes.ptItems[tWorkMode]), 
                          chID,
                          pData,
                          hwSize);

是不是特别优雅?

把容器定义成结构体还有一个好处,就是可以给表格更多的差异化,这意味着,除了条目数组相关的内容外,我们还可以放入其它东西,比如:

  • 在结构体内增加更多的成员——为表格添加更多的信息

  • 加入更多的函数指针(用OOPC的概念来说就是加入更多的“方法”)

现有的 frame_process_backend() 为每一个消息地图(msgmap_t)都使用相同的处理函数 search_msgmap() ,这显然缺乏差异化的可能性。如果每个消息地图都有可能有自己的特殊处理函数怎么办呢?

为了实现这一功能,我们可以对 msgmap_t 进行扩展:

typedef struct msgmap_t msgmap_t;


struct msgmap_t 
    uint16_t hwItemSize;
    uint16_t hwCount;
    msg_item_t *ptItems;
    bool (*fnHandler)(msgmap_t *ptMSGMap,
                      uint_fast8_t chID,
                      void *pData,
                      uint_fast16_t hwSize);
;

则初始化的时候,我们就可以给每个消息地图指定一个不同的处理函数:

extern     
bool msgmap_user_mode_handler(msgmap_t *ptMSGMap,
                      uint_fast8_t chID,
                      void *pData,
                      uint_fast16_t hwSize);


extern     
bool msgmap_debug_mode_handler(msgmap_t *ptMSGMap,
                      uint_fast8_t chID,
                      void *pData,
                      uint_fast16_t hwSize);


const cmd_modes_t c_tCMDModes = 
    impl_table(msgmap_t,
        [USER_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
            .fnHandler = &msgmap_user_mode_handler,
        ,
        [SETUP_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
            .fnHandler = NULL; //!< 使用默认的处理函数
        ,
        [DEBUG_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
            .fnHandler = &msgmap_debug_mode_handler,
        ,
        [FACTORY_MODE] = 
            impl_table(msg_item_t, 
                ...
            ),
            //.fnHandler = NULL  什么都不写,就是NULL(0)
        ,
    ),
;

此时,我们再更新frame_process_backend() 函数,让上述差异化功能成为可能:

bool frame_process_backend(comm_mode_t tWorkMode,
                           uint_fast8_t chID,
                           void *pData,
                           uint_fast16_t hwSize)

    bool bHandled = false;
    msgmap_t *ptMSGMap = c_tCMDModes.ptItems[tWorkMode];
    if (tWorkMode > FACTORY_MODE) 
        return false;
    
    
    //! 调用每个消息地图自己的处理程序
    if (NULL != ptMSGMap->fnHandler) 
         return ptMSGMap->fnHandler(ptMSGMap, 
                                    chID,
                                    pData,
                                    hwSize);
    
    //! 默认的消息地图处理程序
    return search_msgmap( ptMSGMap, 
                          chID,
                          pData,
                          hwSize);

【说在后面的话】


啥都不说了……你们看着办吧。我们下期再见。

—— The End ——

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