嵌入式C语言中结构体封装函数详解

说明：

在嵌入式系统中，结构体封装函数可以用于对于嵌入式硬件资源进行抽象和封装，从而提高软件的可维护性和可移植性。 结构体封装函数通常包含数据和行为，并提供了对数据的访问和操作方法。

比如可以将硬件驱动函数封装在结构体中，方便对外提供统一的API接口，同时也便于代码的移植和扩展。 另外，结构体封装函数还可以用于实现状态机、任务调度等复杂的系统功能。

在C语言中，结构体不仅可以封装数据，还可以封装函数指针。 这种方式可以用于实现回调函数、状态机等，提高代码的复用性和可维护性。 特别是在嵌入式当中，应用是非常多的。

结构体封装函数的作用：

1. 将函数指针和参数打包成一个结构体，实现了代码的模块化和可复用性。
2. 在结构体中可以定义多个函数指针，实现了对函数的分类管理和调用。
3. 结构体可以作为函数的参数或返回值，传递和返回函数指针和参数。

结构体封装函数的应用：

• 回调函数：将函数指针和参数打包成一个结构体，传递给API函数，在API函数内部执行该函数。
• 状态机：将每个状态对应的处理函数封装成一个结构体，根据当前状态调用相应的处理函数。
• 事件驱动：将事件处理函数封装成一个结构体，通过事件触发调用相应的处理函数。
• 线程池：将任务处理函数封装成一个结构体，加入任务队列后由线程池调用执行

结构体封装函数的好处：

• 更好的隐藏实现细节：结构体封装函数使得函数的实现细节被封装在结构体内部，只有结构体暴露给外部的函数指针，实现了良好的封装和信息隐藏。
• 更加灵活的函数调用：函数指针可以被动态修改，从而实现动态的函数调用。 例如，在状态机中，根据不同的状态，可以将相应的处理函数指针赋值给一个函数指针变量，从而实现状态的转换和函数的调用。
• 更加方便的扩展性：结构体封装函数可以轻松地添加新的函数指针，从而扩展功能。 在需要添加新功能时，只需要定义一个新的函数指针，并添加到结构体中，就可以实现功能的扩展，而不需要修改原有的代码。
• 更加通用的代码：结构体封装函数可以使用于各种不同的编程范式，例如面向对象编程（OOP）和函数式编程（FP），从而实现通用的代码。 例如，在OOP中，结构体可以被看作是一个对象，函数指针可以被看作是对象的方法，从而实现OOP编程的思想。
• 更加易于维护：结构体封装函数使得代码更加清晰、易于维护和修改。 由于函数指针的定义和使用都在结构体内部，因此修改或调整代码时，只需要修改结构体中的函数指针定义或调用方式，而不需要修改其他部分的代码，从而使得代码更加健壮、易于维护和修改
• 模块化：通过结构体封装函数，可以将多个函数和数据结构组合成一个模块，以便于模块化设计和维护。 这种方法可以将代码的复杂性分解到不同的模块中，降低了代码的耦合性，提高了代码的可读性和可维护性。
• 代码复用：结构体封装的函数可以通过传递结构体的方式重用同一个函数。 这种方式可以大大减少代码量，提高代码的复用性和可维护性。
• 可扩展性：当需要增加新的功能时，只需增加新的函数和数据结构，而不需要修改现有代码。 这种方式可以大大减少代码的修改和调试时间，提高代码的可扩展性和可维护性。
• 保护数据：通过结构体封装函数，可以将数据和函数封装在一个结构体中，防止外部代码对数据的非法访问和修改。
• 提高安全性：将函数和数据封装在一个结构体中，可以防止其他函数对数据的非法操作，从而提高程序的安全性。

举例1

1/* 定义封装函数结构体由外部调用*/
 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// 定义结构体中的函数
12void move_up(int steps) {
13    // 向上移动steps个单位
14    // ...
15}
16
17void move_down(int steps) {
18    // 向下移动steps个单位
19    // ...
20}
21
22void move_left(int steps) {
23    // 向左移动steps个单位
24    // ...
25}
26
27void move_right(int steps) {
28    // 向右移动steps个单位
29    // ...
30}
31
32int main() {
33    // 初始化结构体
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    // 调用结构体中的函数
44    point.move_up(10);
45    point.move_right(5);
46
47    return 0;
48}

在上面的示例代码中，我们定义了一个结构体Point，其中包含了两个整型变量x和y，以及四个函数指针move_up、move_down、move_left和move_right。 每个函数指针指向一个移动函数，用于在平面坐标系中移动点的位置。 通过使用结构体封装函数，我们可以将函数和数据封装在一起，方便地进行操作和管理。

在main()函数中，我们首先通过初始化的方式，将结构体中的成员变量和函数指针初始化。 然后，我们使用结构体中的函数指针，调用了move_up()和move_right()函数，分别将点向上移动10个单位和向右移动5个单位。

值得注意的是，在实际应用中，我们需要根据实际情况修改函数的实现，以及结构体中的成员变量和函数指针的数量和类型。 同时避免滥用。

举例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初始化代码 */
 9}
10
11void spi_write(uint8_t data) {
12    /* SPI写入数据 */
13}
14
15uint8_t spi_read(void) {
16    /* SPI读取数据 */
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}

在举例2这个例子中，我们定义了一个spi_t类型的结构体，它包含了三个成员函数指针，分别对应SPI总线的初始化、写入和读取操作。 在main函数中，我们定义了一个spi结构体变量，并且初始化它的函数指针成员。 接下来，我们通过spi结构体变量的函数指针成员，分别调用了SPI总线的初始化、写入和读取操作。

使用结构体封装函数可以使代码更加清晰明了，减少了代码的冗余和重复，同时也方便代码的扩展和维护。

举例3

假设我们需要控制一个LED灯的亮度，可以使用PWM（脉冲宽度调制）技术来实现。 为了方便控制，我们可以使用一个结构体来封装控制LED灯的函数和变量。

1typedef struct {
 2    uint8_t duty_cycle;     // 占空比
 3    void (*set_duty_cycle)(uint8_t duty_cycle);  // 设置占空比的函数指针
 4    void (*start)(void);    // 启动PWM输出的函数指针
 5    void (*stop)(void);     // 停止PWM输出的函数指针
 6} pwm_control_t;
 7
 8// 设置占空比
 9void set_duty_cycle(uint8_t duty_cycle) {
10    // 设置占空比的代码
11}
12
13// 启动PWM输出
14void start_pwm(void) {
15    // 启动PWM输出的代码
16}
17
18// 停止PWM输出
19void stop_pwm(void) {
20    // 停止PWM输出的代码
21}
22
23int main(void) {
24    pwm_control_t pwm;
25
26    pwm.duty_cycle = 50;   // 设置占空比为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);  // 设置占空比
32    pwm.start();  // 启动PWM输出
33
34    while (1) {
35        // 循环执行其他任务
36    }
37}

在上面的代码中，我们定义了一个名为pwm_control_t的结构体，其中包含了一个占空比成员变量duty_cycle和三个函数指针set_duty_cycle、start和stop。 set_duty_cycle函数用于设置占空比，start函数用于启动PWM输出，stop函数用于停止PWM输出。

在main函数中，我们创建了一个pwm_control_t类型的结构体变量pwm，并分别给结构体的成员变量和函数指针赋值。 接着，我们调用了set_duty_cycle和start函数来设置占空比和启动PWM输出。

结构体封装函数的好处在于，我们可以通过创建不同的结构体变量来控制多个LED灯，而且不同的LED灯可以使用不同的PWM参数。 此外，如果需要修改PWM输出的实现方式，只需要修改start和stop函数即可，而不需要修改每个LED灯。