嵌入式 C 语言知识点，掩码结构体

工程师进阶笔记 · 发表于 2024-7-9 17:50:00

我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师
关注我，一起变得更加优秀！前面的一系列技术文章，我们都曾多次充分说明了，在设计业务逻辑复杂的嵌入式软件时，最好以面向对象作为基本的设计思想，对各个功能模块尽可能地做好封装与解耦。关于嵌入式 C 语言面向对象设计的文章，可以点击以下链接进行回顾：
基于状态机和面向对象的思想，设计一个通用的按键检测模块。
基于面向对象和简单工厂模式，设计一个通用的 LED 显示模块。
嵌入式 C 语言面向对象编程 --- 总结
面向对象是一种基本的设计思想，与所采用的编程语言基本无关（如果非要杠汇编和二进制，那就是你对），一个反面的例子就是，很多人在初学C++的时候，即便C++里面集成了很多面向对象设计的语法糖，但初学者依然会很容易把“类”当作结构体使用。
面向对象的基本出发点是：把“数据属性”与“数据属性的处理方法”都封装在一起。而我们在使用 C 语言进行嵌入式功能模块设计的时候，因为C语言并不具备C++语言的语法糖，所以通常都会使用结构体的方式来模拟类的设计。
因此，我们在使用OOC（Object-Oriented C Programming with ANSI -C）技术的时候，通常都会面临以下问题：
“嗯，我们可以使用结构体来模拟类，把所有数据变量和函数指针都放在结构体里面进行封装，并且把这个结构体放在接口头文件里面，那么问题来了，结构体里面的成员都是public的（语法层面可以直接使用），但某些数据变量却是private属性（不允许被模块外部直接调用）”
那么，应该如何解决这个问题呢？
在我以往编写的 C 语言面向对象文章里面，示例代码的接口头文件，通常都伴随着这个“直接且尖锐”的问题，而通过编码和模块引用规范这一系列的“君子协定”，往往只能起到“防君子而不能防小人”的作用。
直到最近，我看了傻孩子大佬（公众号：裸机思维）的一系列文章才知道，原来C语言里面有一种技法，掩码结构体（Masked Structure），可以为结构体里面的private属性变量盖上一层蒙版，模块使用者即使看到了结构体的私有数据变量，也不能对其进行外部直接访问调用。
在通用的单片机按键检测模块这篇文章里面，对于模块的接口头文件 key_module.h，里面两个最主要的结构体，key_t和key_manager_t，其内部大量暴露了模块的私有参数变量，如下图所示。

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模块使用者如果想通过某些简单直接粗暴的方式，去修改模块的各个属性参数，是一件轻而易举（技术上也是合情合理）的事情，因为根据接口头文件的最小信息公开原则，放在头文件的信息内容，难道不是公开且供大家放心使用的么？~
（此刻，作者我，无言以对。。。）
鉴于key_module.h接口头文件显现出来的设计不足，我们可以使用掩码结构体对其进行改进，例如，对于原来的key_t结构体，我们可以把私有不公开的成员，放在struct __key里面，然后 key_t 结构体则改进成如下图所示的方式。

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然而，这种改进并未能在真正意义上掩盖住私有成员（struct __key的信息依然表露无遗），因此，我们参考“真刀真枪模块化（2.5）--君子协定”这篇文章，可以通过宏定义技法，把私有成员结构体的信息，真正隐藏起来，如下图所示。

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使用以上宏定义，那么我们可以继续对struct __key结构体作出进一步的改进，把结构体的声明和成员定义，都交给了预编译宏进行处理，具体代码如下图所示。

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当我们需要提取结构体成员进行使用的时候，可以使用CLASS_INTERNAL宏，该宏展开后是一种强制类型转换，目的是可以通过已知类型的结构体变量，来显式调用结构体成员，使用方式如下图所示。

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以上，就是使用掩码结构体技法对单片机按键模块的简单改进（以上截图多数为伪代码，提供一种思路），在实际的工程项目里面，推荐直接使用PLOOC，这个开源项目已经很完美地为C语言面向对象开发提供了必要的OOPC模板。
感谢阅读。
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