嵌入式编程模块化—— 君子协定-技术圈

【说在前面的话】

在本系列的前一篇文章《嵌入式编程模块化——6张图来解析实用型Service模型》中，我们介绍了一种模块化封装的模型——Service模型。该模型的设计理念实际上服务于一个叫做“黑盒子哲学”的设计思维，其核心思想是：

将模块视作一个黑盒子：模块的设计者不用向外透露黑盒子的实现细节；同时模块的使用者也无法看到黑盒子的内部。
模块的设计者和模块的使用者完全通过“接口”来进行约定和沟通。这里所有的接口约定都是通过接口头文件来进行描述和传递的。
接口（及接口头文件）遵循“最小信息公开原则”，即，任何跟使用模块所提供的服务无关的、或者非必要的（可有可无）信息都应该从接口头文件中删除。

实践中，要想实现黑盒子，我们实际上要完成两大任务：

如何隐藏模块的实现，或者说隐藏源代码；
接口头文件中数据结构的保护，或者说如何阻止用户绕开模块所提供的API而直接访问关键结构体的内部（私有）成员；

对于第一条来说，我们只需要把模块编译成library，连同接口头文件一起提供给客户使用就可以做到；而对于第二条要想实现起来却并非那么简单——虽然我们常常说C语言可以通过结构体来模拟类的概念，但它却无法像C++的类那样提供对私有（private）和受保护（protected）成员的隐藏。换句话说，在实践“最小信息公开原则”的时候，如果用户调用服务的时候，确实需要用到结构体（这个结构体是最小信息），如何防止结构体的定义信息被“非法使用”，就成了一个切实的难题。

为了让后续的讨论更为清晰，我们不妨具体的定义一下我们的任务：

只允许用户使用结构体的大小和对齐信息——这样用户可以自由的定义变量，或是通过malloc这样的函数进行动态分配；
以某种“通过实际手段强制了的君子协定”的形式——仅在语法层面——阻止用户直接访问结构体的成员。

要想同时做到以上两点，离不开今天索要介绍的主角：掩码结构体（Masked Structure）。

【什么是掩码结构体】

要想理解掩码结构体，抛开复杂和抽象的文字描述，我们不妨来看一个具体的例子：假设我们做了一个字节队列的模块，其中最核心的结构体 byte_queue_t 的定义如下：

typedef struct byte_queue_t byte_queue_t;struct byte_queue_t {    uint8_t *pchBuffer;    uint16_t hwSize;        uint16_t hwHead;    uint16_t hwTail;    uint16_t hwCount;};

针对这一结构体（或者叫类）我们提供一系列API（或者叫类的方法），比如：

typedef struct byte_queue_cfg_t {    uint8_t *pchBuffer;    uint16_t hwSize;                       } byte_queue_cfg_t;
externbyte_queue_t * byte_queue_init(byte_queue_t *ptObj, byte_queue_cfg_t *ptCFG);
extern bool byte_queue_enqueue(byte_queue_t *ptObj, uint8_t chByte);
externbool byte_queue_dequeue(byte_queue_t *ptObj, uint8_t *pchByte);
externuint_fast16_t byte_queue_count(byte_queue_t *ptObj);

为了保证模块的正常工作，防止运行期间，用户为了自身的便利，直接”外科手术式的“访问 byte_queue_t 的成员导致不必要的问题（比如用户说：我知道你遵循的是最小信息公开原则，也就是说，只要你放了结构体在接口头文件里，我当然理解为我可以任意使用咯？），我们想将整个 byte_queue_t 都保护起来——这就好比，我们试图引入一个“蒙版”，遮住结构体的成员信息然后在客户的耳边念起魔咒：

你什么都看不到，你看到了也没法用……

...

要想实现这样的“蒙版效果”其实并不困难，只需要知道要屏蔽的部分实际占用memory的大小，再根据这一大小来定义数组即可，因此，我们可以修改对应的定义为：

typedef struct byte_queue_t byte_queue_t;
struct __byte_queue_t {    uint8_t *pchBuffer;    uint16_t hwSize;        uint16_t hwHead;    uint16_t hwTail;    uint16_t hwCount;};
struct byte_queue_t {    uint8_t chMask[sizeof(struct __byte_queue_t)];};

这里，我们实际上是给原来的类型重命名为__byte_queue_t，并建立了一个内部只使用数组来“滥竽充数”的替身——也就是我们所说的掩码结构体。

如果你看过我之前的文章《漫谈C变量——对齐（3）》，你会注意到，上述替身实际上丢失了结构体 __byte_queue_t 的对齐信息——容易注意到 struct __byte_queue_t 的结构体整体是对齐到 4 字节的，而掩码结构体中数组chMask本身是对齐到字节的——这会导致当用户使用掩码结构体来定义变量时，由编译器分配的空间可能无法满足原结构体对对齐的要求，造成非对齐访问——轻则性能下降，重则hardfault。

要解决这一问题也并不复杂，只需要借助GCC扩展的运算符 __alignof__() 提取目标类型的对齐信息，再使用 __attribute__((aligned())) 来设置掩码数组的对齐要求就可以了：

typedef struct byte_queue_t byte_queue_t;
struct __byte_queue_t {    uint8_t *pchBuffer;    uint16_t hwSize;        uint16_t hwHead;    uint16_t hwTail;    uint16_t hwCount;};
struct byte_queue_t {    uint8_t chMask[sizeof(struct __byte_queue_t)]         __attribute__((aligned(            __alignof__(struct __byte_queue_t)        )));};

至此，掩码结构体 byte_queue_t 拥有了和原本的结构体 struct __byte_queue_t 一样的尺寸和对齐；同时还在“语法”层面阻止了用户直接访问结构体成员的可能（当然，这也只能防君子不防小人），我们原本设立的两个目标都已成功达成。然而，聪明的你会在脑海里浮现出一个疑问——要想掩码结构体能正常工作，上述信息都必须放置到接口头文件中，难道用户是傻子，看不到结构体 __byte_queue_t 么？

借助宏的力量，我们可以成功的隐藏住 struct __byte_queue_t 的存在。

下面的宏只是为了演示一种简单的实现方法，暂时的打消你的疑虑，而实际在后面我们将要介绍的PLOOC模板中所使用的技法则更为复杂。由于本文只是着重于实际工程实践中如何简单的应用掩码结构体，而不在于介绍复杂的宏技巧，因此我们将不在讨论 PLOOC的实现细节。

#define declare_class(__name)     \    typedef __name __name;        
#define def_class(__name, ...)                   \    struct __##__name {                          \        __VA_ARGS__                              \    };                                           \    struct __name {                              \        uint8_t chMask[sizeof(struct __##__name)]\            __attribute__((aligned(              \                __alignof__(struct __##__name)   \            )));                                 \    };    /* 这只是一个为未来预留的语法糖 */#define end_def_class(...)    #define class_internal(__obj_ptr, __ptr, __type) \    struct __##__type * __ptr =                  \        (struct __##__type *)(__obj_ptr)

借助上述宏，我们可以将接口头文件 byte_queue.h 中代码简化为：

...declare_class(byte_queue_t)
def_class(byte_queue_t,    uint8_t *pchBuffer;    uint16_t hwSize;        uint16_t hwHead;    uint16_t hwTail;    uint16_t hwCount;)
end_def_class(byte_queue_t)...

而模块源代码中，则可以使用 class_internal() 来获取原本的结构体类型：

...#include "./byte_queue.h"...
#undef this#define this    (*ptThis)
bool byte_queue_enqueue(byte_queue_t *ptObj, uint8_t chByte){    /* initialise "this" (i.e. ptThis) to access class members */    class_internal(ptObj, ptThis, byte_queue_t);    ...    if (    (this.hwHead == this.hwTail)        &&  (0 != this.hwCount)) {        //! queue is full        return false;    }    ...}

【如何使用PLOOC来简化开发】

PLOOC是 Protected Low-overhead Object-Oriented programming with ANSI-C 的英文缩写，意为：为（类）提供保护的、低开销的、面向对象C语言开发。它是我在 Github 上的一个开源项目（https://github.com/GorgonMeducer/PLOOC）。PLOOC 是目前已知唯一使用掩码结构体对私有（private）和受保护（protected）的成员提供隐藏的OOPC模板；除此以外，通过几近于0的额外资源消耗来实现面向对象封装特性，也是PLOOC的一大卖点。

虽然PLOOC自带的 MDK 例子工程演示了常见的面向对象特性，但处于时间问题，仍然没有来得及提供一份简单直接的手把手使用教程。这里我们仍然以 byte_queue_t 为例，为大家介绍一下如何在自己的工程中部署 PLOOC，并应用到 service模型中。

准备阶段：

从Github上下载最新的 release 版本。

解压缩后重命名目录为 PLOOC，并复制到你的目标工程中

在工程配置中打开对 C99 的支持，如果可能，直接开启 C11和GNU扩展的支持：

如果你使用的是 gcc, clang 或是 arm compiler 6，你还需要打开对微软扩展的支持（-fms-extensions）并屏蔽一些恼人且无害的 warning：

-fms-extensions -Wno-microsoft-anon-tag -Wno-empty-body

NOTE：如果你使用的是 arm compiler 6，在开启微软扩展以后，还需要额外定义一个宏 _MSC_VER 来避免底层库中的一些不必要的编译错误。

至此，我们就完成了 PLOOC 在你工程中的部署。

如何在模块中部署：

仍以 byte_queue 模块为例，假设你已经根据 service 模型构建好了目录结构：

打开接口头文件 byte_queue.h 并在靠近结构体定义的地方其中添加以下内容：

/*! \NOTE: Make sure #include "plooc_class.h" is close to the class definition  */   #if     defined(__BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT)#   define __PLOOC_CLASS_IMPLEMENT__#elif   defined(__BYTE_QUEUE_CLASS_INHERIT__)#   define __PLOOC_CLASS_INHERIT__#endif   
#include "plooc_class.h"

这里，我们定义了两个很重要的宏 __BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT 和 __BYTE_QUEUE_CLASS_INHERIT__。容易看出，他们分别是根据

__<模块名称>_CLASS_IMPLEMENT

和

__<模块名称>_CLASS_INHERIT__

的形式改写而成的。前者的作用是给 C 源代码标记“我是这个类的实现，我是类的主人”的身份用的；后者的作用是给 C代码标记“我是派生类的实现，我派生自基类”。具体使用方法，后面会具体介绍。

需要特别强调的是，一定不要忘记在接口头文件的尾部将这两个宏都undef掉：

...#ifndef __PLOOC_EXAMPLE_BYTE_QUEUE_H__#define __PLOOC_EXAMPLE_BYTE_QUEUE_H__...
/*! \NOTE: Make sure #include "plooc_class.h" is close to the class definition  */   #if     defined(__BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT)#   define __PLOOC_CLASS_IMPLEMENT__#elif   defined(__BYTE_QUEUE_CLASS_INHERIT__)#   define __PLOOC_CLASS_INHERIT__#endif   
#include "plooc_class.h"...

/* 头文件的尾部 */
/*! \note it is very important to undef those macros */#undef __BYTE_QUEUE_CLASS_INHERIT#undef __BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT__
#endif

在 byte_queue.h 里定义目标类：

//! \name class byte_queue_t//! @{declare_class(byte_queue_t)
def_class(byte_queue_t,
    private_member(        uint8_t *pchBuffer;        uint16_t hwSize;    )        protected_member(        uint16_t    hwHead;                 //!< head pointer        uint16_t    hwTail;                 //!< tail pointer        uint16_t    hwCount;                //!< byte count    ))
end_def_class(byte_queue_t) /* do not remove this for forward compatibility  *///! @}

值得注意的是，这里我们用 private_member() 和 protected_member() 的形式规定了成员变量的属性：其中private的成员是只有类的主人自己可见；而 protected的成员是类的主人以及派生类都可见。如果你想指定某些成员是公共可见的，则可以使用 public_member()。

打开 byte_queue.c，在文件的最开始通过定义宏 __BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT 来标记自己“类主人”的身份，当然，别忘记包含自己的接口头文件：

#define __BYTE_QUEUE_CLASS_IMPLEMENT
#include "./byte_queue.h"

在 byte_queue.c 中，如果某个函数（类的方法）试图访问类的成员，则应该首先借助 class_internal() 来“脱下马甲”。方法跟前文一样，这里就不再赘述。

完整的例子在 PLOOC 的example目录下：诸如派生类应该如何处理，函数重载应该如何实现等等问题，大家可以打开MDK的例子工程后“细品”。

【后记】

掩码结构体是一种全新的方法，可以在语法层面上限制模块的使用者对关键的结构体（类）成员的访问。相比大家熟悉的“不完全类型”，掩码结构体携带了足够的信息（大小信息和对齐信息），从而允许模块的使用者自由的定义变量或是动态分配，这与“不完全类型”必须依赖动态分配的缺点形成了鲜明的对比。

曾几何时，掩码结构体还有“模块的.c不能包含模块的接口头文件” 这样的限定，在最新的PLOOC中，这一问题已经得到了彻底的解决——再也不用担心 ".c" 和 ".h" 中的类型描述不一致导致的运行时错误。

最后，需要强调一下，对 service 模型来说，掩码结构体，或者说PLOOC的使用只是“锦上添花”——并非必须。读者完全可以根据自己的喜好来决定模块的实现方式。如果你喜欢或者对PLOOC使用有什么建议，欢迎在 github上提交你的issue。


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