嵌入式多态原理详解

引言

在我们的嵌入式 C 开发中经常会面对这样的一类需求：因为对接的设备支持的协议不同，自身的设备需要兼容这些协议，因此需要业务支持不同的协议解析方式。

比如有的协议用 tlv 的数据格式，有的用 xml 的格式，有些又用 json 这样的格式，面对如此多差异化的需求，我们该如何解决呢？

一种常见的做法是将协议解析和逻辑实现做到一起，每种协议对应一套代码，这种实现方式简单，没有什么设计可言，就是撸代码。

但是每当对接一种新的协议就要从头开发，这种重复造轮子的方式非常初级，代码的可扩展性也非常差，有没有一种更高级一点的方法呢？

答案是有的，也就是我们本文要讲的嵌入式多态。

嵌入式多态原理

我们首先审视一下上面的需求，上述需求的特点是协议是有多种的数据承载格式（tlv/json/xml），需要针对不同的协议做解析，但是解析完成后的数据处理，也就是业务逻辑的部分却可以保持不变。

因此我们完全可以使用一种模型将这两者分离开来，将易变的协议解析部分单独作为一个模块，将不易变的业务逻辑作为一个模块。

协议解析模块主要负责生成数据，而业务逻辑模块就主要对数据进行处理，中间链接这两者的模型，我们暂且称之为数据分发模型，负责将协议解析出的数据传给业务逻辑部分。

这样一来协议解析模块就可以在自己内部做任何变化，可以对不同格式的协议进行解析，而这对于业务逻辑来说都是不感知的，代码的扩展性更佳。

要想达到这种良好的可扩展性，我们引入了一个负责数据分发的模型，这个模型要怎么实现呢？

我们看到协议解析其实是有多种实现方式，而业务逻辑可以看作只有一种实现方式，这就是一种多对一的方式。

在数据分发模型中，负责将多种协议解析方式收敛成一种，我们想一下C语言中哪种方式可以实现这种多对一的收敛呢？没错，就是函数指针。

这是指针的一种非常高级的应用，它可以将函数的框架抽象出来，用指针的方式进行定义，我们知道指针可以初始化指向不同的地址，那函数指针就可以被指向多个不同的函数。

当我们调用函数指针时，就可以动态地切换到不同的函数实现上。想一下，虽然协议解析的方式不同，但是最终业务逻辑需要的数据是固定的，因此完全可以将函数的参数搞成一样的结构。

在面向对象的编程语言中，这种实现方式称之为多态，同一个接口（抽象级，没有具体实现）可以支持不同的具体实现。在我们嵌入式C开发中需要自己写这种多态的接口，但是也不难，笔者将一个模板写在了下一节中，读者可以参照这种写法，灵活修改。

嵌入式多态伪代码实现模板

定义数据分发的模型，抽象接口

1）伪代码

 

/* 回调的函数钩子 */

typedef int (*hook_func)(void*, int , void*);

typedef struct 
{
 /* 初始化接口，定义诸如内存之类的问题 */
 void (*init)(void);

 /* 注册服务对应的处理函数，如协议解析后的业务逻辑处理映射 */
 int (*register)(int type, hook_func func);

 /* 将数据分发到对应的服务 */
 int (*distribute)(void *input, int len, void *ret);
}demo_param_s;

 

2）代码解析

在这个结构体中，我们定义了三个函数指针，分别是：

初始化接口，用来初始化内存之类，这个内存可以用来存储我们提供的服务类型和回调函数；

注册服务处理函数，主要用来建立服务类型和回调函数的映射，在我们的案例中主要将协议解析后，需要使用哪种业务逻辑处理，建立这样的一个模型；

数据分发服务，主要将协议解析后的数据作为参数，在服务映射表中找到对应的回调函数，然后进行回调。

如下图所示，可以非常详细的描述这个过程。

数据分发模型的初始化接口

1）伪代码

 

demo_param_s *g_demo_param = NULL;

void demo_init(const demo_param_s *param)
{
 g_demo_param = param;
 return;
}

 

2）代码解析

上面的这部分代码非常简单，首先是定义了一个全局变量，这个全局编码是数据分发模型的类型，用来指向一个数据分发模型的具体实现，初始时，可以让这个全局变量指向空。

接下来，就是定义了一个初始化接口，这个接口是来初始化我们定义的这个全局变量的，你会看到这个全局变量指向了一个输入进来的参数，而这个参数就是数据分发模型中各个函数指针的具体实现函数，你将在下一节中看到。

每个函数指针的具体实现

1）伪代码

 

void init_impl(void);

int register_impl(int type, hook_func func);

int distribute_impl(void *input, int len, void *ret);

demo_param_s demo_param = {.init = init_impl,
              .register = register_impl,
              .distribute = distribute_impl};

demo_init(&demo_param);

 

2）代码解析

这部分的伪代码主要是对3个函数指针实现，并进行初始化。

首先是三个具体的实现函数被声明和定义，第一个初始化函数，就是 malloc 出内存；第二个函数，建立服务和业务处理函数的映射关系；第三个函数，在需要某种服务时，通过查询第二个函数建立的映射表，回调具体的业务；

其次就是定义了一个数据分发模型的局部变量，然后初始化其中的每个函数指针；

最后调用我们在前面定义的数据分发初始化接口，将上面定义的局部变量的值传入，使其可以全局访问，在后面我们就可以直接用全局变量 g_demo_param 加上其中的参数的方式调用每个接口。

通过抽象接口调用注册和分发功能

1）伪代码

 

// 分发

for(i = 0; i < size; i++) 
{
 if (type == arr[i].type) 
 {
   result = g_demo_param.distribute(input, len, ret);
 }
 ...
}

// 注册

int type = 0;
int logic_func(void *input, int len, void *ret);
ret= g_demo_param.register(type, logic_func);

 

2）代码解析

上面就是我们的注册和分发的接口，其中注册的部分是在业务逻辑中实现的，分发的部分代码是在协议解析的部分实现的。

需要特别注意这个实现规则，因为只有这样才能达到业务逻辑和协议解析的分离，协议解析只依赖我们的数据分发模型，业务逻辑也只依赖我们的数据分发模型，这两者之间互不依赖，可以独立的编译或者打包。

首先我们看注册，有类型和具体函数实现，我们可以使用 g_demo_param.register 去创建两者的映射关系，将其保存在内存中。

然后当我们解析完协议，就来到我们的分发部分，当我们的类型在内存映射表中有存储时，就可以使用g_demo_param.distribute 实现分发，调用我们的业务逻辑代码。

小结

随着嵌入式软件变得越来越复杂，架构问题也变得越来越突出，市场上我们最多见的是对互联网这类架构的介绍，鲜有专门针对嵌入式软件的架构分析。本文通过一个案例浅谈了嵌入式多态的实现方式，目的是帮助读者在设计开发相关的场景时能够拿来借鉴，使自己的代码具有更好地扩展性。

　　审核编辑：汤梓红