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:
通过 sizeof(<数组>) 来获取整个目标数组的字节尺寸;
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;
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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