简单好用的C语言结构体

一路上 · 发表于 2022-7-18 16:40:57

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前言

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
};

复制代码

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;

复制代码

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);
};

复制代码

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];

复制代码

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] = {
...
},
...
};

复制代码

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

复制代码

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
}

复制代码

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
}

复制代码

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[] = {
...
};

复制代码

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;
}

复制代码

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;
};

复制代码

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。

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,
};

复制代码

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
}

复制代码

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,
};

复制代码

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] = {
...
},
...
},
};

复制代码

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] = {
...
},
...
},
};

复制代码

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] = {
...
},
...
},
};

复制代码

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__)

复制代码

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] = {
...
},
...
),
};

复制代码

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[] = {
...
};

复制代码

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,
...
),
};

复制代码

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,
...
),
},
};

复制代码

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;
};
复制
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,
...
),
},
),
};

复制代码

【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);
}

复制代码

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);
};

复制代码

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）
},
),
};

复制代码

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);
}

复制代码

结语

啥也不说了，大家看着办吧！

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