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嵌入式软件开发的对象在哪(上)

05/15 10:40
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面向对象的特征是抽象、封装、继承、多态,理论很多,前面关于软件设计思想的有多篇拙见,如《嵌入式软件的设计模式(上)》《嵌入式软件的设计模式(下)》。对于嵌入式C软件开发采用面向对象的方法,只是停留在文字描述。结合个人经验和周立功《抽象接口技术和组件开发规范及其思想》,循序渐进的用代码范例说明,最好有一点点C++基础。间接说明理论指导实践的意义。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。

1 面向对象编程基础

面向对象编程涉及到三个重要的特性:封装、继承与多态。部分 C 程序员,特别是嵌入式 C 程序员有一种误解,C 语言不是面向对象的编程语言,C++、Java、Python 等更高级的才是,使用 C 语言无法实现面向对象编程。这种误解致使他们没有动力学习一些优秀的面向对象编程方法,例如设计模式、设计原则、软件架构设计等等,进而很难开发出易维护、易部署、易重用、易管理的软件,很难面对项目需求的变更、扩展,很难开发和维护大型的复杂项目。

1.1 对象

面向对象编程,“对象”是整个编程过程的关键。其常见的解释是“数据与函数的组合”。每个对象都是由一组数据(用以描述对象的状态)和一组函数(对象支持的操作,用以描述对象的行为)组成的。对象实现了数据和操作的结合,使数据和操作可以封装于“对象”这个统一体中。

在面向过程编程中,程序设计注重的是“过程”,先做什么,后做什么;在外界看来,整个程序由一系列散乱的数据和函数组合而成。而在面向对象编程中,程序设计注重的是“对象”,在外界看来,整个程序由一系列“对象”块组合而成,数据和函数封装到了对象内部。

1.2 类

对象是有“类型”的,即类。“类”是对一组对象共性的抽象,表示一类对象,而对象是某个类的一个具体化的个例,通常称之为类的实例。对象通常是由数据和函数组成的,相应的类也具有两部分内容:属性(数据的抽象)和方法(对象行为的抽象)。

除了封装属性和操作外,类还具有访问控制的能力,如某些属性和方法是私有的,不能被外界访问。通过访问控制,能够对内部数据提供不同级别的保护,以防止外界意外地改变或使用私有部分。

1. 属性

类具有属性,它是对数据(对象的状态)的抽象。在 C 程序设计时,通常使用结构体类型来表示一个类,相关属性即包含在相应的结构体类型中。例如学生具有属性:姓名、学号、性别、身高、体重等信息,可以使用如下结构体类型表示“学生类”:

//微信公众号【嵌入式系统】
struct student
{
    char name[10];   /* 姓名 (假定最长10字符) */
    unsigned int id;  /* 学号 */
    char sex;    /* 性别:'M',男;'F' ,女 */
    float height;   /* 身高 */
    float weight;   /* 体重 */
};
//微信公众号【嵌入式系统】提示,关于结构体、枚举等复杂类型定义推荐使用关键字 typedef

微信公众号【嵌入式系统】提示,关于结构体、枚举等复杂类型定义推荐使用关键字 typedef,更多C关键字了解可以参考《C语言关键字应用技巧》、《高质量嵌入式软件的开发技巧》。

2. 方法

类具有方法,它是对象行为的抽象,在 C 程序中,方法可以看作普通函数,不过其通常有一个特点 ,函数的第一个参数为类型的指针,指向了一个确定的对象,用以表明此次操作针对哪个对象,在方法实现时,即可通过该指针访问到对象中的各个属性。(微信公众号【嵌入式系统】这是C面向对象必须的,类似C++的this)

针对学生对象,为了对外展现学生自身的信息,自我介绍的格式是对外输出一个固定格式的字符串:

"Hi! My name is xxx, I'm a (boy/girl). My school number is xxx. My height is xxxcm and weight is xxxkg . "

其中的 xxx 对应学生实际的信息,基于此,可以为学生类定义并实现一个“自我介绍”的方法:

//微信公众号:嵌入式系统
void student_self_introduction(struct student *p_this)
{
    printf("Hi! My name is %s, I'm a %s. My school number is %d. My height is %fcm and weight is %fkg",
           p_this->name,
           (p_this->sex == 'M') ? "boy" : "girl",
           p_this->id,
           p_this->height,
           p_this->weight);
}

对于外界来讲,调用学生的“自我介绍”方法可以获知学生的全部信息。基于该类的定义,一个简易的应用程序范例详如下:

//微信公众号:嵌入式系统
void main(void)
{
    struct student chengj = {"chengj", 2024001, 'M', 173, 68};
    struct student hehe = {"hehe", 2024002, 'M', 150, 45};
    student_self_introduction(&chengj);
    student_self_introduction(&hehe);
    // ...
}

类中的方法 student_self_introduction 可以作用于任一学生类对象,对于程序员来讲,编写的代码将适用于一组对象,而非特定的某一个对象,提高了代码利用率。

在实际应用中,对比代码《嵌入式算法14---数据流与环形队列》,不少程序员都喜欢编写出一堆非常类似的接口,它们仅通过某一个数字后缀(0、1、2……)来区分,如系统使用到 3 个栈,初级程序员可能实现 3 个入栈函数,不良示意代码如下:

//微信公众号:嵌入式系统
//三个栈入栈的不良范例,引以为戒
int push_stack0(int data)
{
    //...
}

int push_stack1(int data)
{
    //...
}

int push_stack2(int data)
{
    //...
}

三个操作可能除了极小部分的差异外,其它处理完全相同,这就是没有面向对象编程的思维,没有定义对象类型的概念,将操作直接针对每个具体对象(栈 0、栈 1、栈 2),而不是一组同类的对象(所有栈对象)。显然,3个栈的特性和行为都基本类似,因而可以定义一个“栈类型”,如此一来,入栈操作将属于栈类型中的一个方法,适用于所有栈对象。例如:

//数据压入栈, p_stack 指向具体的栈对象
int push_stack(stack *p_stack, int data);

//微信公众号:嵌入式系统
//三个栈的入栈操作均可使用同一个方法
push_stack(p_stack0, 1);
push_stack(p_stack1, 2);
push_stack(p_stack2, 3);

这只是示意性代码,说明使用“类”的设计解决问题所带来的优势。

1.3 UML 类图

在面向对象的设计和开发过程中,通常使用 UML 工具来进行分析与设计。最基本的就是使用 UML 类图来表示类以及描述类之间的关系。

在 UML 类图中,一个矩形框表示一个类,矩形框内部被分隔为上、中、下三部分,上部为类的名字,中部为类的属性,下面部分为类的方法。对于属性和方法,还可以使用“+”、“-”修饰符来表示访问权限,“+”为公有属性、“-”为私有属性。如前面的学生类,其类名为 student,属性包括姓名、学号、性别、身高、体重,方法有“自我介绍”方法,则其对应的类图如下:通常情况下,类中的所有属性均为私有属性,不建议直接访问,所有属性的访问都通过类提供的方法。基于此,假定了学生类中的所有属性均为私有属性,因而在所有属性前都增加了“-”修饰符。

UML 类图主要用于辅助分析和设计,设计类时应聚焦在与当前问题有关的重要属性和行为,无关的属性和方法可去掉,确保简洁。由于私有属性仅在内部使用,外界无需关心,因此UML 类图中通常不体现私有属性和方法,除非某些特殊的私有属性和方法影响到问题的理解或者类的实现。基于此可以简化。2 封装

类是对一组对象共性的抽象,封装了属性和方法;即把一组关联的数据和函数圈起来,使圈外的代码只能看见部分函数,数据则完全不可见(微信公众号【嵌入式系统】一般建议数据的访问都应通过类提供的方法,而不是全局变量满天飞)。

2.1 “封装”示例

在C语言中,可使用一个 C 文件(*.c 文件)和 H 文件(*.h 文件)完成“类”的定义,将所有需要封装的东西都存于 C 文件中,H 文件中只展现“对外可见、无需封装”的内容。

以栈的实现为例,将所有实现代码都存于 C 文件中,H 文件只包含与栈相关接口的声明,比如入栈和出栈等。头文件和源文件的示意内容分别详见如下:

stack.h文件
#ifndef __STACK_H
#define __STACK_H
//微信公众号:嵌入式系统 所有头文件都必须防止重复引用

/* 类型声明,无需关心类定义的具体细节 */
struct stack;

/* 创建栈,并指定栈空间的大小*/
struct stack * stack_create(int size);

/* 入栈 */
int stack_push(struct stack *p_stack, int val);

/* 出栈 */
int stack_pop(struct stack *p_stack, int *p_val);

/* 删除栈 */
int stack_delete(struct stack *p_stack);

#endif
stack.c文件
//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack.h"
#include "stdlib.h"

struct stack
{
    int top;   /* 栈顶*/
    int *p_buf;   /* 栈缓存*/
    unsigned int size;  /* 栈缓存的大小 */
};

unsigned int size; /* 栈缓存的大小*/

struct stack * stack_create(int size)
{
    struct stack *p_stack = (struct stack *)malloc(sizeof(struct stack));
    if(p_stack != NULL)
    {
        p_stack->top = 0;
        p_stack->size = size;

        p_stack->p_buf = (int *)malloc(sizeof(int) * size);
        if(p_stack->p_buf != NULL)
        {
            return p_stack;
        }
        free(p_stack); /* 分配栈内存失败*/
    }
    return NULL; /* 创建栈失败,返回 NULL*/
}

int stack_push(struct stack *p_stack, int val)
{
    if(p_stack->top != p_stack->size) //未满可入栈
    {
        p_stack->p_buf[p_stack->top++] = val;
        return 0;
    }
    return -1;
}

int stack_pop(struct stack *p_stack, int *p_val)
{
    if(p_stack->top != 0)  //非空可出栈
    {
        *p_val = p_stack->p_buf[--p_stack->top];
        return 0;
    }
    return -1;
}

int stack_delete(struct stack *p_stack)
{
    if(p_stack == NULL)
    {
        return -1;
    }

    if(p_stack->p_buf != NULL)
    {
        free(p_stack->p_buf);
    }
    free(p_stack);
    return 0;
}

使用 stack.h 的程序没有 struct stack 结构体成员的访问权限的,只能调用stack.h 文件中声明的方法。对于外界用户来说,struct stack 结构体的内部细节,以及各个函数的具体实现方式都是不可见的。这正是完美的封装!

由于所有细节都封装到了 C 文件内部,用户通过 stack.h 文件并不能看到 struct stack 结构体的具体定义,因此也无法访问 stack 结构体中的成员。若用户尝试访问 struct stack结构体中的成员,将会编译报错。(微信公众号【嵌入式系统】 C 语言不是面向对象的编程语言,实现封装有扩展性的牺牲)。

C语言实现封装的一般做法为:在头文件中进行数据结构以及函数定义的前置声明,在源文件中完成各函数的具体实现以及数据结构的定义。这样所有函数实现及定义细节均封装到了源文件中,对使用者来说是完全不可见的。

2.2 创建对象

2.2.1 内存分配的问题

基于前面创建栈方法,可以创建多个栈对象,例如:

struct stack *p_stack1 = stack_create(20);
struct stack *p_stack2 = stack_create(30);
struct stack *p_stack3 = stack_create(50);

每个栈对象需要两部分内存:

一是栈对象本身的内存(内存大小为 sizeof(struct stack));

二是该栈对象用于存储数据的缓存(内存大小为 sizeof(int) * size,其中,size 由用户在创建 栈时通过参数指定)。

在栈对象的创建函数中,使用 malloc()分配了该对象所需的内存空间,使用 malloc()分配内存空间非常方便,但这种做法也限制了对象内存的来源——必须使用动态内存。但对于嵌入式系统,内存往往是很大的瓶颈,很多应用场合可能并不太适合使用动态内存,主要有以下几个因素:

1)内存资源不足。运行嵌入式软件的硬件平台普遍内存小甚至只有几k RAM。这种条件下管理使用动态内存是比较浪费的行为,可能产生内存碎片,且内存分配的软件算法本身也会占用一定的内存空间。

2)实时性要求高。部分嵌入式应用对实时性要求很高,但由于资源的限制,集成的动态内存分配算法不是很完善,使得很难确保动态内存分配的实时性。

3)内存泄漏。动态内存分配可能出现内存泄漏。

4)软件编程复杂。在可靠的设计中,必须考虑内存分配失败的情况并对其进行异常处理,如果存在大量的动态内存分配,则处处都需考虑分配失败的情况。

将对象内存的来源限制为动态内存分配,限制了该类的应用场合,致使部分应用场合因为内存来源的问题不得不放弃该类的使用。

2.2.2 内存来源的探索

在 C 程序开发中,除了使用 malloc()得到一段内存空间外,还可以使用“直接定义变量”的形式分配一段内存。直接定义变量的形式,内存在编译阶段由编译器负责分配,无需用户作任何干预。根据变量定义位置的不同,实际内存的开辟位置存在一定的区别,主要有两类:

局部变量:内存开辟在栈中;静态变量(static 修饰的变量)或全局变量:内存开辟在全局静态存储区。

两种变量主要是生命周期的不同:局部变量在退出当前作用域后(比如函数返回),内存自动释放;静态变量或全局变量内存开辟在全局静态存储区,它们在程序的整个生命周期均有效。

内存可以有 3 种来源,它们的优缺点对比详见下表:

内存类别 内存位置 生命周期 优点 缺点
动态内存 系统堆 Heap 直到调用free()释放内存 灵活,可以随时按需分配和释放 内存分配可能失败,花费的时间可能不确定;需要处理内存分配失败的情况,增加程序的复杂性
静态内存 全局静态存储区(.data、.bss存储段) 程序的整个运行周期 确定性好,只要程序能够编译、链接成功,内存一定能够分配成功 需要编程时确定内存的大小;一直占用内存,无法释放
栈内存 系统栈(或任务栈) 函数调用周期 自动完成内存的分配和回收 内存太大会导致栈溢出
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不同来源的内存各有优劣。前面提到,stack_create()函数将内存的来源限制为仅动态内存不太合理。为了避免内存来源受限,“内存的分配”这一步交由用户实现,以便用户根据实际需要自由选择内存的来源。基于此,可以将对象的创建拆分为两个独立的步骤,分配对象所需的内存和初始化对象。

2.2.3 分配对象所需的内存

内存分配的工作交由用户完成,以便用户根据实际需要自由选择。用户能够完成内存分配的前提是:用户知道应该分配的内存大小。前面提到,每个栈对象需要两部分内存:一是栈对象本身的内存(内存大小为:sizeof(struct stack));二是该栈对象用于存储数据的缓存(内存大小为 sizeof(int) * size,其中,size 由用户在创建栈时通过参数指定)。

1、栈对象本身的内存

栈对象本身的内存大小为 sizeof(struct stack),若用户直接采用静态内存分配的方式(直接定义一个变量),则形式如下:

struct stack my_stack;

也可以继续采用动态内存的分配方式,例如:

struct stack *p_stack = (struct stack *)malloc(sizeof(struct stack));

但是,若将这两行代码直接放到主程序中会无法编译,因为之前描述的“封装”特性,使外界看不到 struct stack 的具体定义,也就是说,对于外界而言,该类型仅仅只是声明并未定义,该类型对应变量的大小对外也是未知的。

在 C 语言中定义一个变量时,编译器将负责该变量所占用内存的分配。内存的大小与类型相关,要完成变量内存的分配,编译器必须知道变量所占用的存储空间大小。当一个变量的类型未定义时,无法完成该类型对应变量的定义,因此,如下语句在编译时会出错:

struct stack my_stack;

同理,sizeof 语句用于获得相应类型数据的大小,而未定义的类型显然是不知道其大小的,动态内存分配中所使用的 sizeof(struct stack)语句也是错误的。

也许部分人会有疑问,既然该类型未定义,为什么在主程序中定义该类型的指针变量却可以呢?

struct stack *p_stack = //...

虽然 struct stack 类型未定义,但在之前已经声明,因此,编译器知道它是一个“合法的结构体类型”。此外,这里定义的是一个指针变量,在特定系统中,指针变量所占用的内存大小是确定的,例如,在 32 位系统中,指针通常占用 4 个字节。即指针变量所占用的内存空间大小与其指向的数据类型无关,编译器无需知道其指向的数据类型,就可完成指针变量内存的分配。因此,一个类型未定义,只要其声明了,就可以定义该类型的指针变量。但需要注意的是,在完成该类型的定义之前,不得尝试访问该指针所指向的内容。

完成内存的分配,提供三种方案。

(1) 将类的具体定义放到 H 文件中

为了使用户知道对象内存的大小,一种最简单的办法是直接将类型的定义放在 H 文件中。更新后的 H 文件示意代码如下:

stack.h文件
#ifndef __STACK_H
#define __STACK_H

/* 类型定义 */
struct stack
{
    int top;   /* 栈顶*/
    int *p_buf;   /* 栈缓存*/
    unsigned int size;  /* 栈缓存的大小 */
};

// ...... 其它函数声明
#endif

此时,对于外界,类型已经定义,如下语句均可正常使用:

struct stack my_stack;// 静态内存分配
struct stack *p_stack = (struct stack *)malloc(sizeof(struct stack));// 动态内存分配

由于类型的定义存放到了 H 文件中,暴露了类中的成员,在一定程度上破坏了类的“封装”性。此时外界可以直接访问类中的数据成员。牺牲一定的封装性,换来内存分配的灵活性,这也是在嵌入式系统中,基于 C 语言实现面向对象编程的一般做法(数据结构定义存放在 H 文件中更加符合程序员的编程风格)。嵌入式软件大多数类定义在 H文件中,并没有封装在 C 文件中。

虽然类的定义存放在 H 文件中,但出于封装性考虑,外界任何时候都不应直接访问对象中的数据,应该将其视为使用 C 语言实现面向对象编程的一条准则。软件开发需要遵守两个规则:一是在设计类时,应考虑到用户可能访问的数据,并为这些数据提供相应的访问接口;二是在使用别人提供的类时,除非有特殊说明,否则都不应该尝试直接访问类中的数据。

这种方法是目前嵌入式系统中使用得最为广泛的一种方法,因此后文使用这种方法讨论。

(2) 在 H 文件中定义一个新的结构体类型

为了继续保持类的封装性,类的定义依然保留在 C 文件中。只不过与此同时,在 H 文件中定义一个新的结构体类型。在该结构体类型中,各个成员的顺序和类型与类定义完全一致,仅命名不同。

struct stack_mem
{
    int dummy1;
    int *dummy2;
    unsigned int dummy3;
};

各成员的顺序和类型均与 struct stack 的定义完全相同,以此保证两个类型数据所需要的内存空间完全一致。同时,为了屏蔽各个成员的具体含义,所有成员均以 dummy 开头进行命名。对于外界来讲,可以基于 struct stack_mem 类型完成内存的分配,例如:

struct stack_mem my_stack;// 静态内存分配
struct stack *p_stack = (struct stack *)malloc(sizeof(struct stack_mem));// 动态内存分配

使用这种方案,类的实际定义依然没有暴露给外界,继续保持了良好的封装。(微信公众号【嵌入式系统】实际上FreeRTOS中,很多地方都采用了这种方法)。但这里定义了一个新的类型,给用户理解上造成了一定的困扰,此外,为确保两个类型完全一致,就要求类的设计者在修改类的定义时,必须确保 struct stack_mem 类型也同步修改,这给类的维护工作带来了挑战;稍有不慎,某一个类型没有同步修改就可能造成严重的错误,且这种错误编译器不会给出任何提示,非常隐蔽。关于代码审查可以参考《代码审查那些事》、《代码的保养》。

(3) 使用宏的形式告知对象所需的内存大小

既然外界只需要知道对象内存的大小,可以在开发过程中使用 sizoeof()获得struct stack 类型的大小,然后将其以宏的形式定义在 H 文件中。例如在 32 位系统中,使用 sizeof()获知 struct stack 类型的长度为 12,则可以在 H 文件中定义一个宏,例如:

#define STACK_MEM_SIZE 12

用户使用该宏完成内存分配,例如:

unsigned char stack_mem[STACK_MEM_SIZE];

这种做法仅仅在头文件中新增了一个宏定义,类的定义依然保持的 C 文件中,“封装”完全没有被破坏,看起来也非常完美。但这种做法也存在一些问题,因而很少采用。

a)对于同一个类型,不同系统中 sizeof()的结果可能不同。类型的长度与系统和编译器均相关。以 int 类型为例,在 32 位系统中为 32 位(4 字节),但 16 位系统中,其位宽可能为 16 位(2 字节)。因此,同样是 sizeof(int),结果可能为 4,也可能为 2。使用 sizeof()获取类型的长度时,不同系统中获取的结果可能并不相同。这就导致 H 文件中的宏定义,切换平台需要重新测试验证。同时,由于类型的定义封装到了 C 文件中,因此修改过程只能有类的开发者完成,一般用户还无法完成,这就使得该类的跨平台特性很差,移植有风险。

b)内存不仅有大小的要求,还有内存对齐的要求。

因此,通过一个宏告知用户需要分配的内存空间大小并不是十分合适,会遇到跨平台、内存对齐等多个注意事项,用户可能在不经意间出错。在实际嵌入式系统中很少使用。一些编码技能可以参考《高质量嵌入式软件的开发技巧》。

2、存储数据的缓存

存储数据的缓存大小为 sizeof(int) *size,其中的 size 本身就是由用户指定的,这部分内存的大小用户很容易得知,进而完成内存的分配。可以采用静态内存分配的方式(直接定义一个变量)完成内存的分配:

int buf[20];

也可以采用动态内存分配的方式完成内存的分配:

int *p_buf = (int *)malloc(sizeof(int) * 20);
2.2.4 内存小曲

内存的来源主要有三种:动态内存、静态内存和栈内存,具体如何选择按实际情况。

对象类别 应用场合
动态对象 不会频繁创建、销毁对象的应用;内存占用太大的对象
静态对象 确定性要求较高,长生命周期的对象
栈对象 函数内部使用的临时对象;对象内存占用较小的对象

一些入式应用对确定性要求较高,建议优先使用静态对象。如此一来只要能够编译(包含链接)成功,应用程序往往就可以按照确定的流程正确执行;若使用动态对象,则必须考虑对象创建失败的情况。偶尔使用的大块内存则建议使用动态内存,使用注意和防范可参考《动态内存管理及防御性编程》。

2.3 初始化对象

初始化对象的具体细节用户不需要关心,指定栈对象的地址、缓存地址及缓存大小,基于此,可以定义初始化函数的原型为:

int stack_init (struct stack *p_stack, int *p_buf, int size);

对于栈来讲,栈顶索引(top)的初始值恒为 0,因此该值无需通过初始化函数的参数传递。int 类型的返回值常用于表示执行的结果(微信公众号【嵌入式系统】建议非指针类型的返回值,以0表示成功,负数表示失败)。该函数的实现示意如下:

//微信公众号:嵌入式系统
int stack_init(struct stack *p_stack, int *p_buf, int size)
{
    p_stack->top = 0;
    p_stack->size = size;
    p_stack->p_buf = p_buf;
    return 0;
}

(微信公众号【嵌入式系统】该初始化函数的实现仅作为原理性展示,没有做过多的错误处理或参数检查,实际应用中,p_stack 为 NULL 或 p_buf 为 NULL 等情况都是错误情况,后续范例也会省去部分参数校验)。

至此,完成了将创建对象分离为“分配对象所需的内存”和“初始化对象”两个步骤,对象内存的来源交由用户决定,用户根据需要获得内存后,再将相关内存的首地址传递给初始化函数。

2.4 销毁对象

实现 stack_create()以及对应的stack_delete(),设计该函数的初衷是当一个栈对象不会再被使用时,可以通过该函数释放栈占用的资源,比如释放在 stack_create()函数中使用 malloc()分配的内存资源。

当将 stack_create()拆分为两步后,内存的分配将由用户决定,对应地内存的释放也应由用户决定。回顾 stack_delete()函数的实现,该函数目前只做了内存释放相关的操作,当不需要释放内存时,该函数看起来没有存在的必要。实际上,stack_delete()和 stack_create()函数是对应的,当将 stack_create()拆分为“分配对象所需的内存”和“初始化对象”两个步骤后,stack_delete()也应该相应的拆分为两个步骤:“释放对象占用的内存”和“解初始化对象”(微信公众号【嵌入式系统】解初始化或者反初始化,不用太在意这个操作的名称,只要理解表达的意思是初始化的逆过程即可,init:deinit,关于命名的英文集客参考《嵌入式软件命名常用英文集》)。

1. 释放对象占用的内存

前面已经提到,释放内存交由用户处理,释放方法与内存的来源相关。

动态内存的释放 动态内存分配应使用相应的释放内存函数(如 free())进行释放。在释放时应确保分配的内存全部被有效释放。若某一部分内存被遗漏,将造成内存泄漏。随着程序的长期运行,内存不断泄漏可能导致系统崩溃。

静态内存的释放 使用静态内存(定义变量的形式),则内存的释放是系统自动完成的。若将对象定义为局部变量,内存开辟在系统栈中,则退出当前作用域后(函数返回)自动释放;若将对象定义为静态变量(static)或全局变量,则内存开辟在全局静态区,该区域的内存在应用程序的整个生命周期均有效,无法释放。

2. 解初始化对象

释放内存已交由用户处理,对于类的设计来讲,重点是设计“解初始化对象”对应的函数,该函数与 stack_init()函数对应,通常命名为“*_deinit”,即:stack_deinit()。该函数通常用于释放在初始化对象时占用的其它资源。

对于纯软件对象(与硬件无关的软件),通常其只会占用内存资源,不会额外占用其它资源,对这类对象解初始化时可能无需做任何事情。例如前面关于栈的实现,在stack_init()函数中仅对几个属性进行了赋值,没有额外占用其它任何资源,此时,stack_deinit()可能无需做任何事情,成为一个空函数。

int stack_deinit(struct stack *p_stack)
{
    return 0;
}

在嵌入式系统中,经常会遇到与硬件相关的对象,其初始化时往往会占用一定的硬件资源:I/O 引脚、系统中断、系统总线。在解初始化这种对象时,应同时释放占用的资源。可重点关注对象的初始化函数,查看其中是否分配、占用了某些资源。若有,则在解初始化函数中作相应的释放操作;若无,则解初始化函数留空。为了提高软件的简洁性,也可删除了空的解初始化函数,但这里为了展示软件结构,依然保留了解初始化函数。

将原 H 文件中的创建接口更新为初始化接口,删除接口更新为解初始化接口,更新后的 H 文件内容和 C 文件如下:

stack.h 文件
//微信公众号:嵌入式系统
#ifndef __STACK_H
#define __STACK_H

/* 类型定义*/
struct stack
{
    int top;   /* 栈顶*/
    int *p_buf;   /* 栈缓存*/
    unsigned int size;  /* 栈缓存的大小 */
};

/* 初始化*/
int stack_init(struct stack *p_stack, int *p_buf, int size);

/* 入栈*/
int stack_push(struct stack *p_stack, int val);

/* 出栈*/
int stack_pop(struct stack *p_stack, int *p_val);

/* 解初始化*/
int stack_deinit(struct stack *p_stack);

#endif
 stack.c 文件
//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack.h"

int stack_init(struct stack *p_stack, int *p_buf, int size)
{
    p_stack->top = 0;
    p_stack->size = size;
    p_stack->p_buf = p_buf;
    return 0;
}

int stack_push(struct stack *p_stack, int val)
{
    if(p_stack->top != p_stack->size)
    {
        p_stack->p_buf[p_stack->top++] = val;
        return 0;
    }
    return -1;
}

int stack_pop(struct stack *p_stack, int *p_val)
{
    if(p_stack->top != 0)
    {
        *p_val = p_stack->p_buf[--p_stack->top];
        return 0;
    }
    return -1;
}

int stack_deinit(struct stack *p_stack)
{
    return 0;
}

3. 销毁对象的顺序

创建对象时是先分配对象所需内存,再初始化对象,因为在初始化对象时,需要传递相应内存空间的首地址作为初始化函数的参数。这就保证了在初始化对象之前,必须完成相关内存的分配。而销毁一个对象时,释放内存与调用解初始化函数并不能通过接口进行制约,销毁过程与创建恰恰相反,应先解初始化对象,再释放对象占用的内存。因为在解初始化对象时,还会使用到对象中的数据,若先释放对象占用的内存,则对象在被解初始化之前,就被彻底销毁了,对象已经不存在了,显然无法再进行解初始化操作。

若内存来源于动态内存分配,则完整的应用程序范例如下:

//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack.h"
#include "stdio.h"
#include "stdlib.h"
int main()
{
    int val;
    struct stack *p_stack = (struct stack *)malloc(sizeof(struct stack));
    int *p_buf = (int *)malloc(sizeof(int) * 20);

 // 初始化
    stack_init(p_stack, buf, 20);

 //依次压入数据:2、4、5、8
    stack_push(p_stack, 2);
    stack_push(p_stack, 4);
    stack_push(p_stack, 5);
    stack_push(p_stack, 8);

 //依次弹出各个数据,并打印
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);

 // 解初始化
    stack_deinit(p_stack);

 // 释放内存
    free(p_stack);
    free(p_buf);
 
    return 0;
}

若内存来源于静态内存分配,则内存的分配和释放完全由系统自行完成,如内存以“局部变量”的形式分配,范例程序如下:

//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack.h"
#include "stdio.h"
int main()
{
    int val;
    int buf[20];
    struct stack stack;
    struct stack *p_stack = &stack;

    stack_init(p_stack, buf, 20);

 // 依次压入数据:2、4、5、8
    stack_push(p_stack, 2);
    stack_push(p_stack, 4);
    stack_push(p_stack, 5);
    stack_push(p_stack, 8);

 // 依次弹出各个数据,并打印
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop(p_stack, &val);
    printf("%d ", val);

    stack_deinit(p_stack);
    return 0;
}

从形式上看,虽然栈类的代码变得复杂了一些,但对象内存的来源更具有灵活性,使得栈的适用范围更加广泛。在部分系统中,在保证对象内存来源不受限制的同时,为了特殊情况下的便利性,往往还保留了基于动态内存分配创建对象的方法,在这种情况下,将同时提供create 和 init 两套接口。

以 FreeRTOS 为例,其提供了两套创建任务的接口:xTaskCreate()和 xTaskCreateStatic()。其中,xTaskCreate()函数中采用动态内存分配的方法获得了任务相关内存;而 xTaskCreateStatic()函数即用于以“静态”的方式创建任务,任务相关的内存需要用户通过函数的参数传递(实际上该函数的作用就类似于 init 初始化函数,只不过其命名为了 Create)。freeRTOS可以作为RTOS开发入门的基础,具体可参考《FreeRTOS及其应用,万字长文,基础入门》、《基于RTOS的软件开发理论》。

在绝大部分面向对象编程语言中,也有类似于初始化和解初始化的接口,以C++为例,在定义类时,每个类都有构造函数和析构函数两个特殊的函数。构造函数就相当于这里的初始化函数,其在创建对象时自动调用;析构函数就相当于这里的解初始化函数,其在销毁对象时自动调用。例如,以局部变量的形式定义一个对象,则在定义对象时,会自动调用构造函数;在退出当前作用域(函数返回)时,会自动调用析构函数。高级的面向对象编程语言,为很多操作提供了语法特性上的原生支持,给实际编程带来了极大的便利。

3 继承

继承表示了一种类与类之间的特殊关系,即 is-a 关系,例如苹果是一种水果。A is-a B,表明了 A 只是 B 的一个特例,并不是 B 的全部,A(苹果)是子类,B(水果)是父类(又称基类、超类)。

子类是父类的一个特例,可以看作是在父类的基础上作了一些属性或方法的扩展,子类依然具有父类的属性和方法。使用继承关系在一个已经存在的类的基础上,定义一个新类。新类将自动继承已存在类的属性和方法,并可根据需要添加新的属性和方法。继承使子类可以重用父类中已经实现的属性和方法,无需再重复设计和编程,以此实现代码最大限度的复用。

3.1 “继承”示例

在 C 语言编程中,在定义子类(子类结构体类型)时,通过将父类作为子类的第一个成员实现继承。之所以这样做,是因为在 C 语言结构体中,第一个成员(父类)的地址和结构体自身(子类)的地址相同,当子类需要复用父类的方法时,子类的地址也可以作为父类的地址使用(微信公众号【嵌入式系统】这是后续继承操作取巧的基础)。

例如在一个系统中具有多个栈,为便于区分,每个栈可以具有不同的名称(系统栈、数据栈、符号栈……)。基于该需求,可以实现一个带名称的栈(为便于和前文普通栈区分,后文将其称为“命名栈”),即在普通栈的基础上,增加一个“名称”属性,该属性使每个栈都具有一个可供识别的名称,该栈类型的定义及接口声明如下:

stack_named.h文件
//微信公众号:嵌入式系统
#ifndef __STACK_NAMED_H
#define __STACK_NAMED_H

#include "stack.h"    /* 包含基类头文件*/

struct stack_named
{
    struct stack super;  /* 基类(超类)*/
    const char *p_name;  /* 栈名*/
};

/* 初始化 */
int stack_named_init(struct stack_named *p_stack, int *p_buf, int size, const char *p_name);

/* 设置名称*/
int stack_named_set(struct stack_named *p_stack, const char *p_name);

/* 获取名称*/
const char * stack_named_get(struct stack_named *p_stack);

/* 解初始化*/
int stack_named_deinit(struct stack_named *p_stack);

#endif
stack_named.c文件
//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack_named.h"

int stack_named_init(struct stack_named *p_stack, int *p_buf, int size, const char *p_name)
{
    stack_init(&p_stack->super, p_buf, size); /* 初始化基类*/
    p_stack->p_name = p_name; /* 初始化子类成员 */
    return 0;
}

int stack_named_set(struct stack_named *p_stack, const char *p_name)
{
    p_stack->p_name = p_name;
    return 0;
}

const char * stack_named_get(struct stack_named *p_stack)
{
    return p_stack->p_name;
}

int stack_named_deinit(struct stack_named *p_stack)
{
    return stack_deinit(&p_stack->super); /* 解初始化基类*/
}

实现“命名栈”时,除初始化函数和解初始化函数外,仅为新增的属性p_name 提供了设置和获取方法,栈的核心逻辑相关函数(入栈、出栈)无需重复实现,入栈和出栈方法作为“命名栈”父类的方法,可以被复用。使用“命名栈”的应用程序范例如下:

//微信公众号:嵌入式系统
#include "stack_named.h"
#include "stdio.h"
int main()
{
    int val;
    int buf[20];
    struct stack_named stack_named;
    struct stack_named *p_stack_named = &stack_named;

    stack_named_init(p_stack_named, buf, 20, "chengj");
    printf("The stack name is %s!n", stack_named_get(p_stack_named));

    // 依次压入数据:2、4、5、8
    stack_push((struct stack *)p_stack_named, 2);  //强制栈类型转换
    stack_push((struct stack *)p_stack_named, 4);
    stack_push((struct stack *)p_stack_named, 5);
    stack_push((struct stack *)p_stack_named, 8);

    // 依次弹出各个数据,并打印
    stack_pop((struct stack *)p_stack_named, &val);  //强制栈类型转换
    printf("%d ", val);
    stack_pop((struct stack *)p_stack_named, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop((struct stack *)p_stack_named, &val);
    printf("%d ", val);
    stack_pop((struct stack *)p_stack_named, &val);
    printf("%d ", val);

    stack_named_deinit(p_stack_named);
    return 0;
}

程序中,因为父类(struct stack)和子类(struct stack_named)对应的类型并不相同,所以当父类方法(stack_push()、stack_pop())作用于子类对象(stack_named)时,为了避免编译器输出“类型不匹配”的警告,必须对类型进行强制转换。

在 C 语言中,大量的使用类型强制转换存在一定的风险,如两个类之间没有继承关系,使用强制转换将屏蔽编译器输出的警告信息,导致这类错误在编译阶段无法发现。为了避免使用强制类型转换,可以多做一步操作,从子类中取出父类的地址进行传递,保证参数类型一致:

stack_push((struct stack *)p_stack_named, 2);
//改为
stack_push(&p_stack_named->super, 2);

但无论使用哪种方法,看起来都不是很完美。这类问题的存在主要是因为 C语言并非真正的面向对象编程语言,使用 C 语言实现面向对象编程时,需要使用到一些看似“投机取巧”的手段。在真正的面向对象编程语言中,编译器可以识别继承关系,无需任何强制转换语句,父类的方法可以直接作用于子类。

3.2 初始化函数

回顾前面命名栈初始化函数:

int stack_named_init(struct stack_named *p_stack, int *p_buf, int size, const char *p_name)
{
    stack_init(&p_stack->super, p_buf, size); /* 初始化基类*/
    p_stack->p_name = p_name; /* 初始化子类成员 */
    return 0;
}

先调用了父类的初始化函数(stack_init()),再初始化命名栈特有的 p_name 属性。这里指出了一个隐含的规则:先初始化基类的成员,再初始化派生类特有的成员。该规则与面向对象编程语言中构造函数的调用顺序是一致的:在建立一个对象时,首先调用基类的构造函数,然后再调用派生类的构造函数。

3.3 解初始化函数

解初始化的顺序与初始化的顺序是恰好相反的,应先对派生类中特有的数据“解初始化”,再对基类作解初始化操作。解初始化函数的实现详见程序如下:

int stack_deinit(struct stack *p_stack)
{
    p_stack->top = 0;
    return 0;
}

int stack_named_deinit(struct stack_named *p_stack)
{
    p_stack->p_name = NULL;
    return stack_deinit(&p_stack->super); /* 解初始化基类在后*/
}

3.4 最少知识原则

所谓 “最少知识原则”就是,对使用者而言,不管类的内部如何,只调用提供的方法,其他的一概不管。(微信公众号【嵌入式系统】更多编码原则可以参考《嵌入式软件设计原则随想》)显然前面的“命名栈”并非如此,对于命名栈的使用者,其必须知道命名栈与普通栈之间的继承关系,进而才可以正确的使用普通栈的入栈方法,操作命名栈,例如:

stack_push((struct stack *)p_stack_named, 2); //类型转换关系

这对用户来说并不友好,因为其使用的是“命名栈”类(stack_named.h),却还要关心“普通栈”类(stack.h)。为满足“最少知识原则”,命名栈也可以提供入栈和出栈方法,使用户仅需关心命名栈的公共接口就可以完成命名栈的所有操作。

stack_named.h文件
#ifndef __STACK_NAMED_H
#define __STACK_NAMED_H

#include "stack.h"

/* 包含基类头文件*/

struct stack_named
{
    struct stack super; /* 基类(超类)*/
    const char *p_name; /* 栈名*/
};

/* 初始化 */
int stack_named_init(struct stack_named *p_stack, int *p_buf, int size, const char *p_name);

/* 设置名称 */
int stack_named_set(struct stack_named *p_stack, const char *p_name);

/* 获取名称 */
const char * stack_named_get(struct stack_named *p_stack);

//微信公众号:嵌入式系统
static inline int stack_named_push(struct stack_named *p_stack, int val)
{
    return stack_push(&p_stack->super, val);
}
static inline int stack_named_pop(struct stack_named *p_stack, int *p_val)
{
    return stack_pop(&p_stack->super, p_val);
}

/* 解初始化 */
int stack_named_deinit(struct stack_named *p_stack);

#endif

头文件中增加了两个方法:stack_named_push()和 stack_named_pop(),由于这两个函数非常简单,只是调用了其父类中相应的方法,仅一行代码,因而使用了内联函数的形式,如此可以优化代码大小和执行速度。经过简单的包装后,用户使用的所有方法都是作用于“命名栈”对象的,无需再使用类型强制转换等特殊的方法。更新后的“命名栈”使用范例片段如下:

// 压入数据
stack_named_push(p_stack_named, 2);

// 弹出数据并打印
stack_named_pop(p_stack_named, &val); printf("%d ", val);

从用户角度看,包装后的“命名栈”对用户来讲更加友好(无需类型强制转换)。但在实际开发过程中,若所有继承关系都再次封装一遍会显得累赘。因此,只对用户开放的类才需要这样做,如果某些类无需对用户开放,仅在内部使用,则可以酌情省略包装过程。

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