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手把手教你实现 C 语言版的"观察者模式",让代码像积木一样随意插拔
干嵌入式的兄弟们,应该都写过或者见过这样的代码:
// system_state.c#include "led.h"#include "lcd.h"#include "wifi.h"#include "bluetooth.h"#include "sensor.h"// ... 还有一堆头文件void Enter_LowPower_Mode(void) { Led_Off(); // 关灯 Lcd_Sleep(); // 关屏 Wifi_PowerDown(); // 关网 Bluetooth_Close(); // 关蓝牙 Sensor_Suspend(); // 挂起传感器 // 每次增加一个模块,这里就要加一行 // 头文件也要跟着加 // 改到你想砸键盘...}看着眼熟吧?这玩意儿我管它叫"上帝函数"——它什么都知道,什么都管,跟个包工头似的,手底下有多少人它门儿清。
问题在哪?
第一,耦合度爆炸。system_state.c 把所有外设模块都 include 了一遍。下个项目如果不需要蓝牙,你得回来改这个文件;加个新传感器,还得改这个文件。改来改去,总有一天你会忘记某个地方,然后 bug 就来了。
第二,多人协作就是灾难。 你改 LED 逻辑要动这个文件,同事加 WiFi 功能也要动这个文件,另一个同事调传感器还是这个文件。三个人一起 push,Git 冲突解到你怀疑人生。
有没有办法让核心逻辑"啥也不知道"?它只管喊一嗓子"我要睡了",谁听见谁自己处理,核心压根不关心有多少模块在监听?
还真有。Linux 内核里有个叫 Notifier Chain(通知链) 的机制,专门干这事儿。你可以把它想象成村口的大喇叭——村长喊一声"开会了",至于谁来、来了干嘛,村长不管,各家自己看着办。
先来看看传统做法和通知链的本质区别。
你手里有份名单,上面写着:张三、李四、王五。每次有事,你得一个一个打电话通知。
问题来了——
名单在你手里,所有变动你都得亲自处理。这就是传统的函数直接调用,主控模块必须知道所有被调用模块的存在。
换个思路:我不维护名单了,谁想听消息,自己来登记。
我就装个大喇叭,喊一嗓子"开饭了",谁爱听谁听。新来的人自己来登记,走的人自己注销,我这边啥都不用改。
这就是经典的发布-订阅模式,也叫观察者模式。
Linux 内核里到处都是通知链:
内核用 atomic_notifier_chain_register() 这类函数来实现。听起来高大上,其实剥开来看,核心就两样东西:
链表 + 函数指针
没了。就这么简单。
链表负责把所有"订阅者"串起来,函数指针负责存储每个订阅者的回调函数。事件触发时,遍历链表,挨个调用函数指针,完事。
理论讲完,开始撸代码。
参考 Linux 内核的 struct notifier_block,我们自己定义一个:
// notifier.h// 回调函数类型:接收事件类型和附加数据,返回处理结果typedef int (*notifier_fn_t)(int event, void *data);// 通知块结构体typedefstruct notifier_block { notifier_fn_t callback; // 回调函数指针struct notifier_block *next; // 指向下一个节点 int priority; // 优先级,数值越大越先执行} notifier_block_t;// 返回值定义#define NOTIFY_OK 0 // 处理完毕,继续通知下一个#define NOTIFY_STOP 1 // 处理完毕,停止通知后续节点结构体就三个成员,简单粗暴。重点说下 priority 这个字段——在嵌入式里,执行顺序是要命的事。
举个例子:系统关机前,你得先让文件系统把缓存刷到 Flash 里,然后才能关掉存储控制器。顺序反了,数据就丢了。优先级就是用来控制这个顺序的。
订阅者想收通知,得先来登记。我们实现一个注册函数,把新节点按优先级插入链表:
// notifier.cint notifier_chain_register(notifier_block_t **head, notifier_block_t *node){ notifier_block_t **curr = head; // 按优先级从高到低找到合适的位置 while (*curr && (*curr)->priority >= node->priority) { curr = &((*curr)->next); } // 插入节点 node->next = *curr; *curr = node; return 0;}这里用了二级指针的技巧,可以统一处理头插、尾插、中间插入的情况,代码更简洁。不熟悉二级指针的同学,建议拿纸画画指针指向关系,多画几次就通了。
有人登记了,那我喊话的时候得能通知到。遍历链表,逐个调用回调函数:
int notifier_call_chain(notifier_block_t *head, int event, void *data){ notifier_block_t *curr = head; int ret = NOTIFY_OK; while (curr) { ret = curr->callback(event, data); // 如果某个回调要求停止,就不再通知后面的节点 if (ret == NOTIFY_STOP) { break; } curr = curr->next; } return ret;}代码不复杂,但有个细节:回调函数可以返回 NOTIFY_STOP 来阻止事件继续传播。这个机制后面会详细讲。
模块卸载时,得把自己从链表里摘掉:
int notifier_chain_unregister(notifier_block_t **head, notifier_block_t *node){ notifier_block_t **curr = head; while (*curr) { if (*curr == node) { *curr = node->next; node->next = NULL; return 0; } curr = &((*curr)->next); } return -1; // 没找到}到这里,一个麻雀虽小五脏俱全的通知链就搞定了。总共也就几十行代码,但能解决大问题。
光说不练假把式,我们用通知链重构开头那个"上帝函数"。
首先在系统核心模块里定义一个通知链头,以及事件类型:
// sys_core.c#include "notifier.h"// 定义事件类型enum sys_event { EVENT_SLEEP, // 进入休眠 EVENT_WAKEUP, // 唤醒 EVENT_SHUTDOWN, // 关机};// 休眠事件通知链的链表头static notifier_block_t *sleep_chain_head = NULL;// 提供注册接口给外部模块int sleep_notifier_register(notifier_block_t *node){ return notifier_chain_register(&sleep_chain_head, node);}注意看,sys_core.c 现在只暴露了一个注册接口,它压根不知道也不关心谁会来注册。
LCD 模块这样写:
// lcd.c#include "notifier.h"// LCD 的休眠回调static int lcd_sleep_handler(int event, void *data){ if (event == EVENT_SLEEP) { // 关闭背光、进入低功耗模式 LCD_BacklightOff(); LCD_EnterSleep(); } return NOTIFY_OK;}// 定义通知块,优先级设为 50static notifier_block_t lcd_sleep_notifier = { .callback = lcd_sleep_handler, .priority = 50,};void LCD_Init(void){ // 初始化硬件... LCD_HardwareInit(); // 注册到休眠通知链 sleep_notifier_register(&lcd_sleep_notifier);}WiFi 模块同样的套路:
// wifi.c#include "notifier.h"static int wifi_sleep_handler(int event, void *data){ if (event == EVENT_SLEEP) { Wifi_Disconnect(); Wifi_PowerDown(); } return NOTIFY_OK;}// WiFi 优先级设低一点,让它后关static notifier_block_t wifi_sleep_notifier = { .callback = wifi_sleep_handler, .priority = 30,};void Wifi_Init(void){ Wifi_HardwareInit(); sleep_notifier_register(&wifi_sleep_notifier);}现在回头看 Enter_LowPower_Mode,它变成了什么样?
// sys_core.cvoid Enter_LowPower_Mode(void){ // 就这一行,完事 notifier_call_chain(sleep_chain_head, EVENT_SLEEP, NULL);}一行代码。
没有 include 任何外设头文件,不知道有多少模块在监听,不关心它们具体干什么。它就是个大喇叭,喊一嗓子"我要睡了",谁听见谁自己处理。
改造前:
sys_core.c,加 include,加函数调用sys_core.c,删 include,删函数调用改造后:
sys_core.c 不用动一个字这就是极度解耦的威力。
前面提到回调函数可以返回 NOTIFY_STOP,这是个很实用的机制。
假设系统要休眠,但文件系统正在写数据。这时候直接休眠会丢数据,怎么办?
让文件系统的回调函数返回 NOTIFY_STOP,阻止休眠流程继续:
// filesystem.cstatic int fs_sleep_handler(int event, void *data){ if (event == EVENT_SLEEP) { if (fs_is_writing()) { // 正在写数据,拒绝休眠 printf("文件系统忙,拒绝休眠\n"); return NOTIFY_STOP; } // 没在写,可以休眠 fs_sync(); fs_unmount(); } return NOTIFY_OK;}// 文件系统优先级最高,第一个被通知static notifier_block_t fs_sleep_notifier = { .callback = fs_sleep_handler, .priority = 100,};这样设计后,文件系统模块优先级最高,第一个收到休眠通知。如果它正在写数据,返回 NOTIFY_STOP,后面的 LCD、WiFi 都不会被通知到,休眠流程终止。
打个比方:老板说"下班",但会计喊了一句"账还没算完",于是大家都没法走。会计就是那个返回 NOTIFY_STOP 的角色。
这种机制在需要"协商"的场景特别有用,比如:
通知链这东西,原理不复杂,代码量也不大,但它体现的设计思想是实打实的。
高内聚、低耦合这八个字,写代码的人都听过,但真正能在自己项目里落地的不多。通知链就是一个很好的切入点——它不需要你引入什么框架,不需要大规模重构,几十行代码就能搞定,却能显著改善模块间的依赖关系。
这种"发布-订阅"的思想,不只在嵌入式领域有用。你去看:
底层逻辑都是一回事:解除发布者和订阅者之间的直接依赖。
如果你正在写的项目里有类似开头那种"上帝函数",不妨试试通知链。改造成本不高,收益却很明显。
代码架构这东西,不是一朝一夕能练出来的。但每学会一种解耦的方法,你离"架构师"就近了一步。
导语: 在嵌入式领域,只会写驱动的工程师很多,但懂架构、能设计通用框架的工程师很少。底层技术的终点是架构设计,如果你渴望突破职业天花板,掌握那些让代码“高内聚、低耦合”的工程哲学,以下内容不容错过。
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