嵌入式軟件開發(fā)的對(duì)象在哪（下）

接上集《嵌入式軟件開發(fā)的對(duì)象在哪（上）》繼續(xù)...

4 多態(tài)

多態(tài)字面含義就是具有“多種形式”。從調(diào)用者的角度看對(duì)象，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們非常相似，但內(nèi)部處理實(shí)際上卻各不相同。換句話說，各對(duì)象雖然內(nèi)部處理不同，但對(duì)于使用者（調(diào)用者）來講，它們卻是相同的。

4.1 學(xué)生的“自我介紹”

在前面提到的學(xué)生類，包含姓名、學(xué)號(hào)、性別、身高、體重等屬性，并對(duì)外提供了一個(gè)“自我介紹”方法。

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
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);
}

假設(shè)一個(gè)場(chǎng)景，開學(xué)第一課所有同學(xué)依次作一個(gè)簡(jiǎn)單的自我介紹，調(diào)用所有同學(xué)的自我介紹方法即可，范例程序如下：

void?first_class(struct?student?*p_students,?int?num)
{
????int?i;
????for(i?=?0;?i?<?num;?i++)
????{
????????student_self_introduction(&p_students[i]);
????}
}

調(diào)用該函數(shù)前，需要將所有學(xué)生對(duì)象創(chuàng)建好，并存于一個(gè)數(shù)組中，假定一個(gè)班級(jí)有 50個(gè)學(xué)生，則調(diào)用示意代碼如下：

int?main()
{
????struct?student?student[50];

????/*根據(jù)每個(gè)學(xué)生的信息，依次創(chuàng)建各個(gè)學(xué)生對(duì)象*/
????student_init(&student[0],?"zhangsan",?2024001,?'M',?173,?60);
????student_init(&student[1],?"lisi",?2024002,?'F',?168,?65);
?//?...

????/*上第一節(jié)課????*/
????first_class(student,?50);
}

上面的實(shí)現(xiàn)代碼，假定了學(xué)生的“自我介紹”格式是完全相同的，都是將個(gè)人信息陳述一遍，顯然，這樣的自我介紹無法體現(xiàn)每個(gè)學(xué)生的個(gè)性和差異。例如，一個(gè)名叫張三的學(xué)生，其期望這樣介紹自己：

“親愛的老師，同學(xué)們！我叫張三，來自湖北仙桃，是一個(gè)自信開朗，積極向上的人，我有著廣泛的興趣愛好，喜歡打籃球、看書、下棋、聽音樂……”

每個(gè)學(xué)生自我介紹的內(nèi)容并不期望千篇一律。若不基于多態(tài)的思想，最簡(jiǎn)單粗暴的方式是每個(gè)學(xué)生都提供一個(gè)自我介紹方法，例如 student_zhangsan_introduction()。這種情況下每個(gè)學(xué)生提供的方法都不相同（函數(shù)名不同），根本無法統(tǒng)一調(diào)用，此時(shí)，第一節(jié)課的調(diào)用將會(huì)大改，需要依次調(diào)用每個(gè)學(xué)生提供的不同的自我介紹方法，例如：

void?first_class()
{
????student_zhangsan_introduction(&zhangshan);?//?張三自我介紹
????student_lisi_introduction(&lisi);???//?李四自我介紹
?//?….
}

無法使用同樣的調(diào)用形式（函數(shù)）完成不同對(duì)象的“自我介紹”。對(duì)于調(diào)用者來講，需要關(guān)注每個(gè)對(duì)象提供的特殊方法，復(fù)雜度將提升。

使用多態(tài)的思想即可很好的解決這個(gè)問題，進(jìn)而保證 firstt_class()的內(nèi)容不變，雖然每個(gè)對(duì)象方法的實(shí)現(xiàn)不同，但可以使用同樣的形式調(diào)用它。在 C 語言中，函數(shù)指針就是解決這個(gè)問題的“利器”。

函數(shù)指針的原型決定了調(diào)用方法，例如定義函數(shù)指針：

int?(*student_self_introduction)?(struct?student?*p_student);

無論該函數(shù)指針指向何處，都表示該函數(shù)指針指向的是 int 類型返回值，具有一個(gè)*p_student 參數(shù)的函數(shù)，其調(diào)用形式如下：

student_self_introduction(p_student);

函數(shù)指針的指向代表了函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，指向不同的函數(shù)就代表了不同的實(shí)現(xiàn)?；诖?，為了使每個(gè)學(xué)生對(duì)象可以有自己獨(dú)特的介紹方式，在學(xué)生類的定義中，可以不實(shí)現(xiàn)自我介紹方法，但可以通過函數(shù)指針約定自我介紹方法的調(diào)用形式。更新學(xué)生類的定義：

student.h?文件```

```c
//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#ifndef?__STUDENT_H
#define?__STUDENT_H

struct?student
{
????int?(*student_self_introduction)(struct?student?*p_student);??/*?新增個(gè)性化自我介紹?*/
????char?name[10];??/*?姓名?（假定最長(zhǎng)?10?字符）*/
????unsigned?int?id;?/*?學(xué)號(hào)?*/
????char?sex;???/*?性別:'M'，男；'F'?，女?*/
????float?height;??/*?身高?*/
????float?weight;??/*?體重?*/
};

int?student_init(struct?student?*p_student,
?????????????????char?*p_name,
?????????????????unsigned?int?id,
?????????????????char?sex,
?????????????????float?height,
?????????????????float?weight,
?????????????????int?(*student_self_introduction)(struct?student?*));

/*?學(xué)生類提供的自我介紹方法?*/
static?inline?int?student_self_introduction(struct?student?*p_student)
{
????return?p_student->student_self_introduction(p_student);
}

#endif

此時(shí)，對(duì)于外界來講，學(xué)生類“自我介紹方法”的調(diào)用形式并未發(fā)生任何改變，函數(shù)原型還是一樣的（由于只有一行代碼，因而以內(nèi)聯(lián)函數(shù)的形式存放到了頭文件中）。基于此，“第一節(jié)課的內(nèi)容”可以保持完全不變（for循環(huán)調(diào)用全部）。在這種方式下，每個(gè)對(duì)象在初始化時(shí)，需要指定自己特殊的自我介紹方，例如張三對(duì)象的創(chuàng)建過程為：

int?student_zhangsan_introduction(struct?student?*p_student)
{
????const?char?*str?=?"親愛的老師，同學(xué)們！我叫張三，來自湖北仙桃，是一個(gè)自信開朗，積極向上的人，我有著廣泛的興趣愛好，喜歡打籃球、看書、下棋、聽音樂……";

????printf("%sn",?str);
????return?0;
}

int?main()
{
????struct?student?student[50];

????/*?根據(jù)每個(gè)學(xué)生的信息，依次創(chuàng)建各個(gè)學(xué)生對(duì)象?*/
????student_init(&student[0],?"zhangsan",?2024001,?'M',?173,?60,?student_zhangsan_introduction);

????//?...

????/*?上第一節(jié)課?*/
????first_class(student,?50);
}

多態(tài)的核心是：對(duì)于上層調(diào)用者，不同的對(duì)象可以使用完全相同的操作方法，但是每個(gè)對(duì)象可以有各自不同的實(shí)現(xiàn)方式。多態(tài)是面向?qū)ο缶幊谭浅Ｖ匾奶匦?，C 語言依賴指針實(shí)現(xiàn)多態(tài)。

（微信公眾號(hào)【嵌入式系統(tǒng)】很多設(shè)計(jì)模式或硬件多型號(hào)適配都是基于這個(gè)基礎(chǔ)，可以參考《嵌入式軟件的設(shè)計(jì)模式（上）》）。

4.2 I/O 設(shè)備驅(qū)動(dòng)

C 程序使用 printf()打印日志信息，在 PC 上運(yùn)行時(shí)，日志信息可能輸出到控制臺(tái)，而在嵌入式系統(tǒng)中，信息可能通過某個(gè)串口輸出。printf()函數(shù)的解釋是輸出信息至 STDOUT（標(biāo)準(zhǔn)輸出）。顯然printf()函數(shù)就具有多態(tài)性，對(duì)于用戶來講，其調(diào)用形式是確定的，但內(nèi)部具體輸出信息到哪里，卻會(huì)隨著 STDOUT 的不同而不同。

在一些操作系統(tǒng)中（如Linux），硬件設(shè)備（例串口、ADC 等）的操作方法都和文件操作方法類似（一切皆文件），都可以通過 open()、close()、read()、write()等幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行操作。為統(tǒng)一 I/O 設(shè)備的使用方法，要求每個(gè) I/O 設(shè)備都提供 open、close、read、write 這幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，即每個(gè) I/O設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)在函數(shù)調(diào)用上必須保持一致。這本質(zhì)上就是一個(gè)多態(tài)問題，即以同樣的方法使用不同的 I/O 設(shè)備。

通過函數(shù)指針解決這個(gè)問題，首先定義file_ops結(jié)構(gòu)體，包含了相對(duì)應(yīng)的函數(shù)指針，指向I/O 設(shè)備針對(duì)操作的實(shí)現(xiàn)函數(shù)。

file_ops.h?文件

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
//代碼片段只是原理性展示
struct?file_ops
{
????void?(*open)(char?*name,?int?mode);
????void?(*close)();
????int?(*read)();
????void?(*write)();
};

對(duì)于 I/O設(shè)備，其驅(qū)動(dòng)程序提供這 4個(gè)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，并將 file_ops結(jié)構(gòu)體的函數(shù)指針指向?qū)?yīng)的函數(shù)。

#include?"file_ops.h"

static?void?open(char?*name,?int?mode)
{
????//...
}

static?void?close()
{
????//...
}

static?int?read()
{
????//...
}

static?void?write()
{
????//...
}

struct?file_ops?my_console?=?{open,?close,?read,?write};

所有的函數(shù)都使用 static修飾符，避免與外部的函數(shù)產(chǎn)生命名沖突。對(duì)于該設(shè)備，僅對(duì)外提供了一個(gè)可以使用的 file_ops 對(duì)象 my_console。

上面展示了設(shè)備 I/O 的一般管理方法，其中的編程方法或技巧正是面向?qū)ο缶幊讨卸鄳B(tài)的基礎(chǔ)，也再一次展現(xiàn)了函數(shù)指針在多態(tài)中的重要地位，多態(tài)可以視為函數(shù)指針的一種典型應(yīng)用。（微信公眾號(hào)【嵌入式系統(tǒng)】類似使用是Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)）。

4.3 帶檢查功能的棧

前面范例實(shí)現(xiàn)了棧的核心邏輯（入棧和出棧），假設(shè)現(xiàn)在增加需求，實(shí)現(xiàn)“帶檢查功能的棧”，即在數(shù)據(jù)入棧之前，必須進(jìn)行特定的檢查，“檢查通過”后才能壓人棧中。檢查方式有多種：

范圍檢查：必須在特定的范圍之內(nèi)，比如1 ~ 9，才視為檢查通過；奇偶檢查：必須是奇數(shù)或者偶數(shù)，才視為檢查通過；變化檢查：值必須增加（比上一次的值大），才視為檢查通過。

4.3.1 基于繼承實(shí)現(xiàn)“帶范圍檢查功能”的棧

先不考慮多種檢查方式，僅實(shí)現(xiàn)范圍檢查。參照“命名棧”的實(shí)現(xiàn)，使用繼承方式，在普通棧的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)新類，范例程序如下：

stack_with_range_check.h??帶范圍檢查的棧

#ifndef?__STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#define?__STACK_WITH_RANGE_CHECK_H

#include?"stack.h"??/*?包含基類頭文件?*/

struct?stack_with_range_check
{
????struct?stack?super;??/*?基類（超類）*/
????int?min;????/*?最小值?*/
????int?max;????/*?最大值?*/
};

int?stack_with_range_check_init(struct?stack_with_range_check?*p_stack,
????????????????????????????????int?*p_buf,
????????????????????????????????int??size,
????????????????????????????????int?min,?int?max);

/*?入棧?*/
int?stack_with_range_check_push(struct?stack_with_range_check?*p_stack,?int?val);

/*?出棧?*/
int?stack_with_range_check_pop(struct?stack_with_range_check?*p_stack,?int?*p_val);

#endif

帶范圍檢查的棧 C 文件 stack_with_range_check.c

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#include?"stack_with_range_check.h"

int?stack_with_range_check_init(struct?stack_with_range_check?*p_stack,
????????????????????????????????int?*p_buf,
????????????????????????????????int?size,
????????????????????????????????int?min,?int?max)
{
????/*?初始化基類?*/
????stack_init(&p_stack->super,?p_buf,?size);

????/*?初始化子類成員?*/
????p_stack->min?=?min;
????p_stack->max?=?max;
????return?0;
}

int?stack_with_range_check_push(struct?stack_with_range_check?*p_stack,?int?val)
{
????if((val?>=?p_stack->min)?&&?(val?<=?p_stack->max))??//差異點(diǎn)
????{
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);
????}
????return?-1;
}

int?stack_with_range_check_pop(struct?stack_with_range_check?*p_stack,?int?*p_val)
{
????return?stack_pop(&p_stack->super,?p_val);
}

為了接口的簡(jiǎn)潔性，沒有再展示解初始化等函數(shù)的定義。新增入棧時(shí)作檢查，出棧和普通棧是完全相同的，但基于最小知識(shí)原則也封裝了一個(gè) pop 接口，使該類的用戶完全不需要關(guān)心普通棧。

依照這個(gè)方法，可以實(shí)現(xiàn)其它檢查方式的棧。核心是實(shí)現(xiàn)帶檢查功能的入棧函數(shù)，因而僅簡(jiǎn)單展示另外兩種檢查方式下入棧函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，分別如下：

//奇偶檢查入棧函數(shù)
int?stack_with_oddeven_check_push(struct?stack_with_oddeven_check?*p_stack,?int?val)
{
????if(((p_stack->iseven)?&&?((val?%?2)?==?0))?||?((!p_stack->iseven)?&&?((val?%?2)?!=?0)))
????{
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);?//檢查通過：偶校驗(yàn)且為偶數(shù)，或奇校驗(yàn)且為奇數(shù)
????}
????return?-1;
}

//變化檢查入棧函數(shù)
int?stack_with_change_check_push(struct?stack_with_change_check?*p_stack,?int?val)
{
????if(p_stack->pre_value?<?val)
????{
????????p_stack->pre_value?=?val;
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);?//檢查通過：本次入棧值大于上一次的值
????}
????return?-1;
}

由此可見，這種實(shí)現(xiàn)方式存在一定的缺陷，不同檢查方法對(duì)應(yīng)的入棧函數(shù)不相同，對(duì)于用戶來講，使用不同的檢查功能，就必須調(diào)用不同的入棧函數(shù)。即操作不同的棧使用不同的接口。但觀察幾個(gè)入棧函數(shù)，其入棧方法類似，示意代碼如下：

int?stack_XXX_push(struct?stack_XXX?*p_stack,?int?val)
{
????if(檢查通過)??//不同棧的差異僅是檢測(cè)條件不同
????{
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);
????}
????return?-1;
}

可使用多態(tài)思想，將“檢查”函數(shù)的調(diào)用形式標(biāo)準(zhǔn)化編寫一個(gè)通用的、與具體檢查方式無關(guān)的入棧函數(shù)。

4.3.2 基于多態(tài)實(shí)現(xiàn)通用的“帶檢查功能的棧”

使用函數(shù)指針表示“檢查功能”，指向不同的檢查函數(shù)?？梢远x一個(gè)包含函數(shù)指針的類：

struct?stack_with_validate
{
????struct?stack?super;????????????/*?基類（超類）*/
????int?(*validate)(struct?stack_with_validate?*p_this,?int?val);??/*?檢查函數(shù)?*/
};

和其它普通方法一樣，類中抽象方法（函數(shù)指針）的第一個(gè)成員同樣是指向該類對(duì)象的指針。此時(shí)，數(shù)據(jù)入棧前的檢查工作交給 validate 指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)實(shí)現(xiàn)。假定其指向的函數(shù)在檢查數(shù)據(jù)時(shí)，返回 0 表示檢查通過可入棧，其它值表示檢查未通過。完整的帶檢查功能的棧實(shí)現(xiàn)范例如下：

帶檢查功能的棧 H 文件（stack_with_validate.h）

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)

#ifndef?__STACK_WITH_VALIDATE_H
#define?__STACK_WITH_VALIDATE_H

#include?"stack.h"?????/*?包含基類頭文件?*/
struct?stack_with_validate
{
????struct?stack??super;???/*?基類（超類）*/
????int?(*validate)(struct?stack_with_validate?*p_this,?int?val);?/*?檢查函數(shù)?*/
};


int?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
?????????????????????????????int?*p_buf,
?????????????????????????????int?size,
?????????????????????????????int?(*validate)(struct?stack_with_validate?*,?int));

/*?入棧?*/
int?stack_with_validate_push(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?val);

/*?出棧?*/
int?stack_with_validate_pop(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?*p_val);

#endif

帶檢查功能的棧 C 文件（stack_with_validate.c）

#include?"stack_with_validate.h"
#include?"stdio.h"

int?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
?????????????????????????????int?*p_buf,
?????????????????????????????int?size,
?????????????????????????????int?(*validate)(struct?stack_with_validate?*,?int))

{
????/*?初始化基類?*/
????stack_init(&p_stack->super,?p_buf,?size);
????p_stack->validate?=?validate;??//檢查條件，上層說了算
????return?0;
}

int?stack_with_validate_push(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?val)
{
????if(?(p_stack->validate?==?NULL)?||?
????????((p_stack->validate?!=?NULL)?&&?(p_stack->validate(p_stack,?val)?==?0))?)
????{
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);
????}
????return?-1;
}

int?stack_with_validate_pop(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?*p_val)
{
????return?stack_pop(&p_stack->super,?p_val);
}

帶某種檢查功能的棧，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)其中的 validate 方法?；趲z查的棧，實(shí)現(xiàn)帶范圍檢查的棧，程序詳見如下：

帶范圍檢查的棧 H 文件更新（stack_with_range_check.h）

#ifndef?__STACK_WITH_RANGE_CHECK_H
#define?__STACK_WITH_RANGE_CHECK_H

#include?"stack_with_validate.h"??/*?包含基類頭文件?*/

struct?stack_with_range_check
{
????struct?stack_with_validate?super;??/*?基類（超類）*/
????int?min;????????/*?最小值?*/
????int?max;????????/*?最大值?*/
};

struct?stack_with_validate?*?stack_with_range_check_init(struct?stack_with_range_check?*p_stack,
????????int?*p_buf,
????????int?size,
????????int?min,
????????int?max);

#endif

帶范圍檢查的棧 C 文件更新（stack_with_range_check.c）

#include?"stack_with_range_check.h"

static?int?_validate(struct?stack_with_validate?*p_this,?int?val)
{
????struct?stack_with_range_check?*p_stack?=?(struct?stack_with_range_check?*)p_this;
?
????if((val?>=?p_stack->min)?&&?(val?<=?p_stack->max))
????{
????????return?0;?/*?檢查通過?*/
????}

????return?-1;
}

struct?stack_with_validate?*?stack_with_range_check_init(struct?stack_with_range_check?*p_stack,
????????int?*p_buf,
????????int?size,
????????int?min,
????????int?max)
{
????/*?初始化基類?*/
????stack_with_validate_init(&p_stack->super,?p_buf,?size,?_validate);
?
????/*?初始化子類成員?*/
????p_stack->min?=?min;
????p_stack->max?=?max;
????return?0;
}

帶范圍檢查的棧，主要目的就是實(shí)現(xiàn)“檢查功能”對(duì)應(yīng)的函數(shù)：_validate，并將其作為 validate 函數(shù)指針（抽象方法）的值。

在面向?qū)ο缶幊讨?，包含抽象方法的類通常稱之為抽象類，抽象類不能直接實(shí)例化（因?yàn)槠溥€有方法未實(shí)現(xiàn)），抽象類只能被繼承，且由子類實(shí)現(xiàn)其中定義的抽象方法。在 UML 類圖中，抽象類的類名和其中的抽象方法均使用斜體表示，普通棧、帶檢查功能的棧和帶范圍檢查的棧，它們之間的關(guān)系詳見圖。

帶范圍檢查的棧，其主要作用是實(shí)現(xiàn)其父類中定義的抽象方法，進(jìn)而創(chuàng)建一個(gè)真正的“帶檢查功能”的棧對(duì)象（此時(shí)的抽象方法已實(shí)現(xiàn)），該對(duì)象即可提交給外部使用。帶范圍檢查的棧并沒有其他特殊的方法，因而在其初始化完成后，通過初始化函數(shù)的返回值向外界提供了一個(gè)“帶檢查功能”的棧對(duì)象，后續(xù)用戶即可使用 stack_with_validate.h 文件中的push 和 pop 方法操作該對(duì)象。

帶范圍檢查的棧使用范例如下：

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#include?"stack_with_range_check.h"
#include?"stdio.h"

int?main()
{
????int??val;
????int??buf[20];
????int??i;
????int??test_data[5]?=?{2,?4,?5,?3,?10};

????struct?stack_with_range_check??stack;

????struct?stack_with_validate?*p_stack?=?stack_with_range_check_init(&stack,?buf,?20,?1,?9);

????for(i?=?0;?i?<?5;?i++)
????{
????????if(stack_with_validate_push(p_stack,?test_data[i])?!=?0)
????????{
????????????printf("The?data?%d?push?failed!n",?test_data[i]);
????????}
????}

????printf("The?pop?data:?");
????while(1)??/*?彈出所有數(shù)據(jù)?*/
????{
????????if(stack_with_validate_pop(p_stack,?&val)?==?0)
????????{
????????????printf("%d?",?val);
????????}
????????else
????????{
????????????break;
????????}
????}
????return?0;
}

無論何種檢查方式，其主要目的都是創(chuàng)建“帶檢查功能”的棧對(duì)象（完成抽象方法的實(shí)現(xiàn)）。創(chuàng)建完畢后，對(duì)于用戶操作方法都是完全相同的 stack_with_validate_push 和 stack_with_validate_pop ，與檢查方式無關(guān)。為避免贅述，這里不再實(shí)現(xiàn)另外兩種檢查功能的棧，僅展示出他們的類圖。

在這里插入圖片描述

在一些大型項(xiàng)目中，初始化過程往往和應(yīng)用程序是分離的（即stack_with_range_check_init 內(nèi)部封閉不可見），也就是說，對(duì)于用戶來講，其僅會(huì)獲取到一個(gè) struct stack_with_validate *類型的指針，其指向某個(gè)“帶檢查功能的?！?，實(shí)際檢查什么，用戶可能并不關(guān)心，應(yīng)用程序基于該類型指針編程，將使應(yīng)用程序與具體檢查功能無關(guān)，即使后續(xù)更換為其它檢查方式，應(yīng)用程序也不需要做任何改動(dòng)。

4.4 抽象分離

如果是硬件資源有限，功能單一或大概率無需擴(kuò)展的嵌入式軟件開發(fā)，進(jìn)行到這基本可以滿足需求；如果是復(fù)雜應(yīng)用，且硬件資源充足還可繼續(xù)優(yōu)化。

4.4.1 檢查功能抽象

前面的實(shí)現(xiàn)中，將檢查功能視為棧的一種擴(kuò)展（使用繼承），檢查邏輯直接在相應(yīng)的擴(kuò)展類中實(shí)現(xiàn)。這就使檢查功能與棧綁定在一起，檢查功能的實(shí)現(xiàn)無法獨(dú)立復(fù)用。如果要實(shí)現(xiàn)一個(gè)“帶檢查功能的隊(duì)列”，同樣是上述的 3 種檢查邏輯，期望能夠復(fù)用檢查邏輯相關(guān)的代碼。顯然，由于當(dāng)前檢查邏輯的實(shí)現(xiàn)與棧捆綁在一起，無法單獨(dú)提取出來復(fù)用。

檢查功能與棧的綁定，主要在“帶檢查功能的?！敝畜w現(xiàn)，該類的定義如下：

struct?stack_with_validate
{
????struct?stack??super;???/*?基類（超類）*/
????int?(*validate)(struct?stack_with_validate?*p_this,?int?val);?/*?檢查函數(shù)?*/
};

super 用于繼承自普通棧，validate 表示一個(gè)抽象的數(shù)據(jù)檢查方法，不同的檢查方法，通過該指針?biāo)赶虻暮瘮?shù)體現(xiàn)。由于檢查方法validate是該類的一個(gè)方法，檢查邏輯與棧綁定。為了解綁分離，可以將檢查邏輯放到獨(dú)立的與棧無關(guān)的類中，額外定義一個(gè)抽象的校驗(yàn)器類，專門表示數(shù)據(jù)檢查邏輯：

struct?validator
{
????int?(*validate)(struct?validator?*p_this,?int?val);?/*?檢查函數(shù)?*/
};

雖然該類僅包含 validate 函數(shù)指針，但需注意該函數(shù)指針類型的變化，其第一個(gè)參數(shù)為指向校驗(yàn)器的指針，而在“帶檢查功能的?！敝?，其第一個(gè)參數(shù)是指向“帶檢查功能的?！钡闹羔?。通過該類的定義，明確的將檢查邏輯封裝到獨(dú)立的校驗(yàn)器類中，與棧再無任何關(guān)聯(lián)。不同的檢查邏輯，可以在其子類中實(shí)現(xiàn)，校驗(yàn)器類和各個(gè)子類之間的關(guān)系如下：由于校驗(yàn)器類僅包含一個(gè)函數(shù)指針，因此其只需要在頭文件中定義出類即可，程序如下：

校驗(yàn)器類定義（validator.h）

#ifndef?__VALIDATOR_H
#define?__VALIDATOR_H

struct?validator
{
????int?(*validate)(struct?validator?*p_this,?int?val);
};

static?inline?int?validator_init(struct?validator?*p_validator,
?????????????????????????????????int?(*validate)(struct?validator?*,?int))
{
????p_validator->validate?=?validate;
????return?0;
}

static?inline?int?validator_validate(struct?validator?*p_validator,?int?val)??/*?校驗(yàn)函數(shù)?*/
{
????if(p_validator->validate?==?NULL)??/*?校驗(yàn)函數(shù)為空，視為無需校驗(yàn)?*/
????{
????????return?0;
????}
????return?p_validator->validate(p_validator,?val);
}

#endif

初始化函數(shù)負(fù)責(zé)為 validate 賦值，validator_validate 函數(shù)是校驗(yàn)器對(duì)外提供的校驗(yàn)函數(shù)，在其實(shí)現(xiàn)中僅調(diào)用了 validate 函數(shù)指針指向的函數(shù)。由于函數(shù)都比較簡(jiǎn)單，因而直接使用了內(nèi)聯(lián)函數(shù)的形式進(jìn)行了定義。接下來以范圍校驗(yàn)為例，實(shí)現(xiàn)一個(gè)范圍校驗(yàn)器。

范圍校驗(yàn)器 H 文件內(nèi)容（validator_range_check.h）

#ifndef?__VALIDATOR_RANGE_CHECK_H
#define?__VALIDATOR_RANGE_CHECK_H

#include?"validator.h"
struct?validator_range_check
{
????struct?validator?super;
????int?min;
????int?max;
};

struct?validator*?validator_range_check_init(struct?validator_range_check?*p_validator,?int?min,?int?max);

#endif

范圍校驗(yàn)器 C 文件內(nèi)容（validator_range_check.c）

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#include?"validator_range_check.h"

static?int?_validate(struct?validator?*p_this,?int?val)
{
????struct?validator_range_check?*p_stack?=?(struct?validator_range_check?*)p_this;
????if((val?>=?p_stack->min)?&&?(val?<=?p_stack->max))
????{
????????return?0;??/*?檢查通過?*/
????}
????return?-1;
}

struct?validator*?validator_range_check_init(struct?validator_range_check?*p_validator,?int?min,?int?max)
{
????validator_init(&p_validator->super,?_validate);
????p_validator->min?=?min;
????p_validator->max?=?max;
????return?&p_validator->super;
}

由于 validator_range_check 類僅用于實(shí)現(xiàn) validator 抽象類中定義的抽象方法，其初始化函數(shù)可以直接對(duì)外返回一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的校驗(yàn)器（其中的抽象方法已實(shí)現(xiàn)）。按照同樣的方法，可以實(shí)現(xiàn)validator_oddeven_check 類和 validator_change_check 類。將檢查功能從“帶檢查功能的?！敝蟹蛛x出來之后，“帶檢查功能的?！敝芯蜔o需再維護(hù)檢查功能對(duì)應(yīng)的抽象方法。其可以通過依賴的方式使用檢查功能，即依賴一個(gè)校驗(yàn)器。在類圖中，依賴關(guān)系可以使用一個(gè)虛線箭頭表示，箭頭指向被依賴的類，示意圖如下：“帶檢查功能的?！鳖惗x如下：

struct?stack_with_validate
{
????struct?stack?super;????/*?基類（超類）*/
????struct?validator?*p_validator;?/*?依賴的校驗(yàn)器?*/
};

與先前相比，其核心變化是由一個(gè) validate 函數(shù)指針（指向具體的檢查方法）變更為 p_validator 指針（指向抽象的檢查方法），變化雖小，但是兩種截然不同的設(shè)計(jì)理念。之前的方式是定義了一個(gè)抽象方法，而現(xiàn)在的方式是依賴于一個(gè)校驗(yàn)器對(duì)象。

基于此更新“帶檢查功能的棧”類的實(shí)現(xiàn)如下：

帶檢查功能的棧 H 文件更新（stack_with_validate.h）

#ifndef?__STACK_WITH_VALIDATE_H
#define?__STACK_WITH_VALIDATE_H

#include?"stack.h"???/*?包含基類頭文件?*/
#include?"validator.h"

struct?stack_with_validate
{
????struct?stack?super;??/*?基類（超類）*/
????struct?validator?*p_validator;
};

int?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
?????????????????????????????int?*p_buf,
?????????????????????????????int?size,
?????????????????????????????struct?validator?*p_validator);

int?stack_with_validate_push(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?val);
int?stack_with_validate_pop(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?*p_val);

#endif

帶檢查功能的棧 C 文件更新（stack_with_validate.c）

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#include?"stack_with_validate.h"
#include?"stdio.h"

int?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
?????????????????????????????int?*p_buf,
?????????????????????????????int?size,
?????????????????????????????struct?validator?*p_validator)
{
????stack_init(&p_stack->super,?p_buf,?size);
????p_stack->p_validator?=?p_validator;
????return?0;
}

int?stack_with_validate_push(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?val)
{
????if((p_stack->p_validator?==?NULL)?||?(validator_validate(p_stack->p_validator,?val)?==?0))?//注意差別
????{
????????return?stack_push(&p_stack->super,?val);
????}
????return?-1;
}

int?stack_with_validate_pop(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?*p_val)
{
????return?stack_pop(&p_stack->super,?p_val);
}

“帶檢查功能的?！钡膽?yīng)用接口（push 和 pop）并沒有發(fā)生任何改變，應(yīng)用程序可以被復(fù)用，測(cè)試更新后的帶檢查功能的棧：

#include?"stack_with_validate.h"
#include?"validator_range_check.h"
#include?"stdio.h"
int?main()
{
????int?buf[20];
????struct?stack_with_validate?stack;
????struct?validator_range_check?validator_range_check;

????/*?獲取范圍檢查校驗(yàn)器?*/
????struct?validator?*p_validator?=?validator_range_check_init(&validator_range_check,?1,?9);
????stack_with_validate_init(&stack,?buf,?20,?p_validator);
?
????stack_validate_application(&stack);//使用和先前繼承方式一樣，實(shí)現(xiàn)忽略
?
????return?0;
}

4.4.2 ?定義抽象棧

定義校驗(yàn)器類后，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩種棧：普通棧和“帶檢查功能的?！?，無論什么棧，對(duì)于用戶來講都是實(shí)現(xiàn)入棧和出棧兩個(gè)核心邏輯。兩種棧提供兩種入棧和出棧方法。

普通棧提供的方法為：

int?stack_push(struct?stack?*p_stack,?int?val);??/*?入棧?*/
int?stack_pop(struct?stack?*p_stack,?int?*p_val);?/*?出棧?*/

“帶檢查功能的棧”提供的方法為：

int?stack_with_validate_push(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?val);??/*?入棧?*/
int?stack_with_validate_pop(struct?stack_with_validate?*p_stack,?int?*p_val);?/*?出棧?*/

用戶執(zhí)行入棧和出棧操作，使用不同類的棧，調(diào)用的函數(shù)不同。通過多態(tài)思想，將入棧和出棧定義為抽象方法（函數(shù)指針），則可以達(dá)到這樣的效果：無論使用何種棧，都可以使用相同的方法來實(shí)現(xiàn)入棧和出棧?；诖硕x抽象棧。

抽象棧類定義（stack.h）

#ifndef?__STACK_H
#define?__STACK_H

struct?stack
{
????int?(*push)(struct?stack?*p_stack,?int?val);
????int?(*pop)(struct?stack?*p_stack,?int?*p_val);
};

static?inline?int?stack_init(struct?stack?*p_stack,
?????????????????????????????int?(*push)(struct?stack?*,?int),
?????????????????????????????int?(*pop)(struct?stack?*,?int?*))
{
????p_stack->push?=?push;
????p_stack->pop?=?pop;
}

static?inline?int?stack_push(struct?stack?*p_stack,?int?val)
{
????return?p_stack->push(p_stack,?val);
}

static?inline?int?stack_pop(struct?stack?*p_stack,?int?*p_val)
{
????return?p_stack->pop(p_stack,?p_val);
}

#endif

基于抽象棧的定義，使用抽象棧提供的接口實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序與底層細(xì)節(jié)無關(guān)，任何棧都可以使用該應(yīng)用程序進(jìn)行測(cè)試。

基于抽象棧實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序：

#include?"stack.h"
#include?"stdio.h"
int?stack_application(struct?stack?*p_stack)
{
????int?i;
????int?val;
????int?test_data[5]?=?{2,?4,?5,?3,?10};

????for(i?=?0;?i?<?5;?i++)
????{
????????if(stack_push(p_stack,?test_data[i])?!=?0)
????????{
????????????printf("The?data?%d?push?failed!n",?test_data[i]);
????????}
????}

????printf("The?pop?data:?");
????while(1)?
????{
????????if(stack_pop(p_stack,?&val)?==?0)
????????{
????????????printf("%d",?val);
????????}
????????else
????????{
????????????break;
????????}
????}
????return?0;
}

先有應(yīng)用層代碼再有底層代碼。在實(shí)現(xiàn)具體棧之前，就可以開始編寫應(yīng)用程序（微信公眾號(hào)【嵌入式系統(tǒng)】這就是依賴倒置原則，可參考《嵌入式軟件設(shè)計(jì)原則隨想》）。實(shí)現(xiàn)普通棧：

普通棧 H 文件內(nèi)容（stack_normal.h）

#ifndef?__STACK_NORMAL_H
#define?__STACK_NORMAL_H

#include?"stack.h"
struct?stack_normal
{
????struct?stack?super;
????int?top;???/*?棧頂?*/
????int?*p_buf;???/*?棧緩存?*/
????unsigned?int?size;?/*?棧緩存的大小?*/
};

struct?stack?*?stack_normal_init(struct?stack_normal?*p_stack,?int?*p_buf,?int?size);

#endif

普通棧 C 文件內(nèi)容（stack_normal.c）

//微信公眾號(hào)：嵌入式系統(tǒng)
#include?"stack_normal.h"

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

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

struct?stack?*?stack_normal_init(struct?stack_normal?*p_stack,?int?*p_buf,?int?size)
{
????p_stack->top?=?0;
????p_stack->size?=?size;

????p_stack->p_buf?=?p_buf;
????stack_init(&p_stack->super,?_push,?_pop);
????return?&p_stack->super;
}

基于普通類的實(shí)現(xiàn)，測(cè)試普通棧類：

#include?"stack_normal.h"
int?main()
{
????int?buf[20];

????struct?stack_normal?stack;
????struct?stack?*p_stack?=?stack_normal_init(&stack,?buf,?20);
????stack_application(p_stack);
????return?0;
}

“帶檢查功能的?！笔窃谄胀５幕A(chǔ)上，增加了檢查功能，實(shí)現(xiàn)范例程序如下：

帶檢查功能的棧 H 文件更新（stack_with_validate.h）

#ifndef?__STACK_WITH_VALIDATE_H
#define?__STACK_WITH_VALIDATE_H

#include?"stack.h"???/*?包含基類頭文件?*/
#include?"validator.h"


struct?stack_with_validate
{

????struct?stack?super;????/*?基類（超類）*/
????struct?stack*p_normal_stack;??/*?依賴于普通棧的實(shí)現(xiàn)?*/
????struct?validator?*p_validator;
};

struct?stack?*?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
????????????????????????????????????????struct?stack??*p_normal_stack,
????????????????????????????????????????struct?validator?*p_validator);

#endif

檢查功能的棧 C 文件更新（stack_with_validate.c）

#include?"stack_with_validate.h"
#include?"stdio.h"
static?int?_push(struct?stack?*p_this,?int?val)
{
????struct?stack_with_validate?*p_stack?=?(struct?stack_with_validate?*)p_this;
????if((p_stack->p_validator?==?NULL)?||?(validator_validate(p_stack->p_validator,?val)?==?0))
????{
????????return?stack_push(p_stack->p_normal_stack,?val);
????}
????return?-1;
}

static?int?_pop(struct?stack?*p_this,?int?*p_val)
{
????struct?stack_with_validate?*p_stack?=?(struct?stack_with_validate?*)p_this;
????return?stack_pop(p_stack->p_normal_stack,?p_val);
}

struct?stack?*?stack_with_validate_init(struct?stack_with_validate?*p_stack,
????????????????????????????????????????struct?stack?*p_normal_stack,
????????????????????????????????????????struct?validator?*p_validator)
{
????stack_init(&p_stack->super,?_push,?_pop);

????p_stack->p_validator?=?p_validator;
????p_stack->p_normal_stack?=?p_normal_stack;
????return?&p_stack->super;
}

基于“帶檢查功能的?！钡膶?shí)現(xiàn)，測(cè)試范例如下：

#include?"stack_normal.h"
#include?"stack_with_validate.h"
#include?"validator_range_check.h"

int?main()
{
????int?buf[20];
????struct?stack_normal?stack;
????struct?stack_with_validate?stack_with_validate;
????struct?validator_range_check?validator_range_check;

????struct?stack?*p_stack_normal?=?stack_normal_init(&stack,?buf,?20);

????struct?validator?*p_validator?=?validator_range_check_init(&validator_range_check,?1,?9);
????struct?stack?*p_stack?=?stack_with_validate_init(&stack_with_validate,
??????????????????????????????p_stack_normal,
??????????????????????????????p_validator);

????stack_application(p_stack);
????return?0;
}

由此可見，無論底層的各種棧如何實(shí)現(xiàn)，對(duì)于上層應(yīng)用來講，其可以使用同一套接口stack_application操作各種各樣不同的棧。

多種多態(tài)示例的核心解決方案都是相同的，即：定義抽象方法（函數(shù)指針），使上層應(yīng)用可以使用同一套接口訪問不同的對(duì)象。從類的角度看，每個(gè)類中操作的規(guī)約都是相同的，而這些類可以用不同的方式實(shí)現(xiàn)這些同名的操作，從而使得擁有相同接口的對(duì)象可以在運(yùn)行時(shí)相互替換。

同樣的應(yīng)用程序，可以在多個(gè)硬件平臺(tái)上運(yùn)行，更換硬件時(shí)應(yīng)用程序無需作任何改動(dòng)。在嵌入式系統(tǒng)中，相同功能芯片的更新替換，也是多態(tài)應(yīng)用最多的場(chǎng)景，根據(jù)硬件差異多態(tài)封裝，應(yīng)用層無感使用相同接口?；诙鄳B(tài)的思想實(shí)現(xiàn)“與硬件無關(guān)”的應(yīng)用程序，還可以衍生出兩個(gè)概念：抽象接口與依賴倒置，它們的核心都是多態(tài)。更多編碼原則可參考《嵌入式軟件設(shè)計(jì)原則隨想》、《Unix哲學(xué)之編程原則》，分層架構(gòu)《嵌入式軟件分層隔離的典范》。

5 小節(jié)

學(xué)會(huì)了屠龍技，但是沒有龍，怎么辦？有些東西只是一種思維模式，作為日常開發(fā)工作中潛移默化的一種偏愛。所以嵌入式軟件開發(fā)究竟有沒對(duì)象呢？有但少。