C語言回調(diào)函數(shù)的概念及其應(yīng)用
筆者能力有限，如果文中有錯(cuò)誤的地方，歡迎各位朋友給我及時(shí)地指出來，我將不甚感激，謝謝~
概念
引用維基百科上的關(guān)于回調(diào)函數(shù)的概念:
在計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)中，回調(diào)函數(shù)，或簡(jiǎn)稱回調(diào)（Callback 即call then back 被主函數(shù)調(diào)用運(yùn)算后會(huì)返回主函數(shù)），是指通過函數(shù)參數(shù)傳遞到其它代碼的，某一塊可執(zhí)行代碼的引用。這一設(shè)計(jì)允許了底層代碼調(diào)用在高層定義的子程序。
打一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是說，如果我們?cè)谝粋€(gè) RTOS 的基礎(chǔ)上去編寫應(yīng)用程序，編寫應(yīng)用程序的這一層就是應(yīng)用層，也可以說是高層，那 RTOS 內(nèi)核所處的就是內(nèi)核層，也可以說是底層。在編寫應(yīng)用程序的時(shí)候，我們可以函數(shù)調(diào)用的形式來在高層調(diào)用底層的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，但是底層的程序在使用過程中，一般是不進(jìn)行改動(dòng)的，也就無法通過普通函數(shù)調(diào)用的方法去調(diào)用在高層定義的函數(shù)，而回調(diào)函數(shù)則能解決這一問題，使得底層代碼調(diào)用在高層定義的子程序，下面通過一個(gè)圖簡(jiǎn)單說明這個(gè)問題：
回調(diào)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于回調(diào)函數(shù)一種比較簡(jiǎn)單的理解也就是將一個(gè)函數(shù)指針以參數(shù)的形式傳遞給另一個(gè)函數(shù)，在這里不對(duì)函數(shù)指針的概念進(jìn)行展開講解，筆者在《C 語言跳轉(zhuǎn)表的實(shí)現(xiàn)及在嵌入式設(shè)備中的應(yīng)用》中簡(jiǎn)單地描述了函數(shù)指針的概念。在大多數(shù)情況下，回調(diào)函數(shù)將包括以下三個(gè)部分：
定義回調(diào)函數(shù)
注冊(cè)回調(diào)函數(shù)
執(zhí)行回調(diào)函數(shù)
下面筆者通過一個(gè)簡(jiǎn)單的例子將回調(diào)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)與這三部分關(guān)聯(lián)起來。
定義回調(diào)函數(shù)
回調(diào)函數(shù)的定義很簡(jiǎn)單，與普通函數(shù)的定義沒有區(qū)別，比如我們定義一個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器的回調(diào)函數(shù)如下：
/*高層*/
void Watchdog_ExpiredCallback(void)
{
//do something
}
可以看出這就是一個(gè)普通的函數(shù)。
注冊(cè)回調(diào)函數(shù)并執(zhí)行
注冊(cè)回調(diào)函數(shù)筆者在這里給出兩種實(shí)現(xiàn)思路，先是一種比較直觀的：
/*底層*/
void Watchdog_Expired(void (*Callback)(void))
{
Callback();
}
可以看到這個(gè)函數(shù)的形參是一個(gè)函數(shù)指針，因此我們也就可以將我們定義的函數(shù)的指針作為函數(shù)傳到當(dāng)前這個(gè)函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)在底層調(diào)用高層的代碼。調(diào)用方法也有兩種形式，分別是以下兩種：
Watchdog_Expired(Watchdog_ExpiredCallback);
Watchdog_Expired(&Watchdog_ExpiredCallback);
為什么這兩種調(diào)用方式結(jié)果都一致呢，其實(shí)這也就跟數(shù)組的 a 和 &a[0]的關(guān)系是一個(gè)道理，雖然表征的意義不一致，但是其數(shù)值是相等的。注冊(cè)回調(diào)函數(shù)的第二種方法在形式上看著要比第一種要復(fù)雜一點(diǎn)，我們先采用如下方式定義一個(gè)函數(shù)指針：
typedef void (*Callback)(void);
static Callback WatchdogExpired = NULL;
然后就可以這樣實(shí)現(xiàn)注冊(cè)函數(shù)：
void
Watchdog_CallbackRegister(void (*Callback)(void))
{
WatchdogExpired = Callback;
}
然后就可以將我們之前定義的函數(shù)進(jìn)行注冊(cè)：
Watchdog_CallbackRegister(Watchdog_ExpiredCallback);
這里需要注意的是上述的這個(gè)函數(shù)應(yīng)該在系統(tǒng)初始化的時(shí)候，就完成調(diào)用，然后我們就可以在中斷服務(wù)函數(shù)里完成回調(diào)函數(shù)的執(zhí)行了：
void watchdog_ISR(void)
{
if (WatchdogExpired != NULL)
{
WatchdogExpired();
}
}
上述便是回調(diào)函數(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單例子，下面筆者將分析回調(diào)函數(shù)在 rtthread 上的一個(gè)應(yīng)用。
RT-Thread 空閑線程的鉤子函數(shù)
我們首先來看 RT-Thread 對(duì)于空閑線程的介紹:
RT-Thread 空閑線程是系統(tǒng)創(chuàng)建的最低優(yōu)先級(jí)的線程，線程狀態(tài)永遠(yuǎn)為就緒態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中無其他就緒線程存在時(shí)，調(diào)度器將調(diào)度到空閑線程，它通常是一個(gè)死循環(huán)，且永遠(yuǎn)不能被掛起。在空閑線程中也提供了接口來運(yùn)行用戶設(shè)置的鉤子函數(shù)，在空閑線程運(yùn)行時(shí)會(huì)調(diào)用該鉤子函數(shù)，適合鉤入功耗管理、看門狗喂狗等工作。
在上述介紹中提到空閑線程提供了接口來運(yùn)行用戶設(shè)置的鉤子函數(shù)，那這又是基于什么原理呢？首先我們來看空閑函數(shù)是如何設(shè)置鉤子函數(shù)，代碼如下：
static void (*idle_hook_list[RT_IDEL_HOOK_LIST_SIZE])();
rt_err_t rt_thread_idle_sethook(void (*hook)(void))
{
rt_size_t i;
rt_base_t level;
rt_err_t ret = -RT_EFULL;
/* disable interrupt */
level = rt_hw_interrupt_disable();
for (i = 0; i < RT_IDEL_HOOK_LIST_SIZE; i++)
{
if (idle_hook_list[i] == RT_NULL)
{
idle_hook_list[i] = hook;
ret = RT_EOK;
break;
}
}
/* enable interrupt */
rt_hw_interrupt_enable(level);
return ret;
}
我們可以看到這個(gè)函數(shù)的形參是一個(gè)函數(shù)指針，自然可以想到是用到了回調(diào)函數(shù)的原理。對(duì)于此函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，我們可以看到是定義了一個(gè)全局的鉤子函數(shù)數(shù)組，也就是說可以注冊(cè)多個(gè)回調(diào)函數(shù)，然后會(huì)根據(jù)注冊(cè)的先后順序進(jìn)行執(zhí)行。既然可以注冊(cè)回調(diào)函數(shù)了，那么我們就可以在應(yīng)用層定義一個(gè)回調(diào)函數(shù)，這里以看門狗喂狗為例，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
static void idle_hook(void)
{
/*喂狗操作*/
rt_device_control(wdg_dev,RT_DEVICE_CTRL_WDT_KEEPALIVE, NULL);
rt_kprintf("feed the dog!\n");
}
定義了回調(diào)函數(shù)，我們就可以在主程序里將注冊(cè)該回調(diào)函數(shù)了：
int main(void)
{
/*省略看門狗設(shè)備的相關(guān)操作*/
rt_thread_idle_sethook(idle_hook);
}
回調(diào)函數(shù)已經(jīng)注冊(cè)，何時(shí)會(huì)執(zhí)行呢？對(duì)于當(dāng)前系統(tǒng)而言，當(dāng)當(dāng)前無其他線程運(yùn)行時(shí)，切換到空閑線程時(shí)會(huì)運(yùn)行我們注冊(cè)的回調(diào)函數(shù)，空閑線程里面的內(nèi)容是這樣的：
static void rt_thread_idle_entry(void *parameter)
{
while (1)
{
#ifdef RT_USING_IDLE_HOOK
rt_size_t i;
for (i = 0; i < RT_IDEL_HOOK_LIST_SIZE; i++)
{
if (idle_hook_list[i] != RT_NULL)
{
idle_hook_list[i]();
}
}
#endif
rt_thread_idle_excute();
#ifdef RT_USING_PM
rt_system_power_manager();
#endif
}
}
上述代碼也印證了剛才所說的，注冊(cè)的多個(gè)回調(diào)函數(shù)會(huì)根據(jù)注冊(cè)的順序依次執(zhí)行。最后，回顧空閑線程鉤子函數(shù)的運(yùn)行過程，也就和文章最開始給出的調(diào)用關(guān)系圖相對(duì)應(yīng)起來了。
總結(jié)
在 RT-Thread 中關(guān)于回調(diào)函數(shù)的例子也不止空閑線程鉤子函數(shù)這一個(gè)，還有很多，比如調(diào)度器和串口設(shè)備里也有，不過原理都是一樣的，最終實(shí)現(xiàn)的效果也都是能夠使底層調(diào)用高層定義的代碼。
參考資料：
[1] https://www.embedded.com/increasing-code-flexibility-using-callbacks/
[2]https://www.beningo.com/embedded-basics-callback-functions/
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