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基于按键开源MultiButton框架深入理解代码框架(一)（指针的深入理解与应用）

网友: 技术文档 2025-09-04 01:19:13

文章目录

  • 1、函数指针应用
    • 1.1 传递函数指针的语法
    • 1.2 按键函数的初始化
    • 1.3 按键相关变量
      • 1.3.1 按键属性结构体
      • 1.3.2 按键结构体参数意义
    • 1.4 初始化引起的思考

1、函数指针应用

前面讲解了函数指针，这里就是指针的实际应用。

深入理解C语言内存空间、函数指针（三）（重点是函数指针）-CSDN博客

void button_init(Button* handle, uint8_t(*pin_level)(uint8_t), uint8_t active_level, uint8_t button_id) 这是声明的函数， uint8_t(*pin_level)(uint8_t)表示函数指针变量 uint8_t read_button_gpio(uint8_t button_id) { switch (button_id) { case 1: return btn1_state; case 2: return btn2_state; default: return 0; } } 但是在使用传递参数过程中，直接就传递了函数名 button_init(&btn1, read_button_gpio, 1, 1);

C语言规定，函数名本身是一个指向该函数代码的指针常量。

uint8_t (*func_ptr)(uint8_t) = read_button_gpio; // 正确，函数名隐式转换为地址

或者显式取地址

uint8_t (*func_ptr)(uint8_t) = &read_button_gpio; // 等价写法

两者效果相同。

1.1 传递函数指针的语法

调用时直接传递函数名：

button_init(&btn1, read_button_gpio, 1, 1);
应用场景​ ​关键技术点​ ​代表函数/库​ 回调函数 事件驱动、异步通知 GUI 事件处理、Node.js 策略模式 算法可替换 C 标准库 qsort() 分派表 状态机、命令解析 计算器、协议处理器 线程池任务 并发任务抽象 线程池框架（如 Pthread） 插件架构 动态加载、热更新 动态链接库（dlopen）

1.2 按键函数的初始化

typedef struct _Button Button;struct _Button { uint16_t ticks;  // tick counter uint8_t repeat : 4; // repeat counter (0-15) uint8_t event : 4;  // current event (0-15) uint8_t state : 3;  // state machine state (0-7) uint8_t debounce_cnt : 3; // debounce counter (0-7) uint8_t active_level : 1; // active GPIO level (0 or 1) uint8_t button_level : 1; // current button level uint8_t button_id;  // button identifier uint8_t (*hal_button_level)(uint8_t button_id); // HAL function to read GPIO BtnCallback cb[BTN_EVENT_COUNT]; // callback function array Button* next; // next button in linked list};

这个地方可以给自己规定死，也就是只要出现传递的参数是指针的，那么最开始一定要做的一件事就判断地址的合法性，也就是不能为NULL。
如果是NULL，就直接退出初始化

 if (!handle || !pin_level) return; // parameter validation
- **`ptr`**​：目标内存起始地址（此处 `handle` 需是 `Button*` 类型）。- ​**`value`**​：填充值（仅低 8 位有效，故 `0` 或 `0xFF` 等单字节值安全）。- ​**`num`**​：填充字节数（`sizeof(Button)` 确保覆盖整个结构体）。void* memset(void* ptr, int value, size_t num);memset(handle, 0, sizeof(Button));

清零内存区域​

  • memset 按字节填充内存，此处 0 表示将 sizeof(Button) 字节的内存全部设为 0。
  • 对于结构体 Button，其所有成员（包括整型、字符数组、指针等）的二进制值均被置零：
    • 数值类型（如 int）变为 0。
    • 字符数组/字符串变为空字符串（\\0 填充）。
    • 指针变为 NULL（空指针）。

初始化思想：

 memset(handle, 0, sizeof(Button)); handle->event = (uint8_t)BTN_NONE_PRESS; handle->hal_button_level = pin_level; handle->button_level = !active_level; // initialize to opposite of active level handle->active_level = active_level; handle->button_id = button_id; handle->state = BTN_STATE_IDLE;

我们第一步是使用memset函数将sizeof(Button) 字节的内存全部设为 0。

但是有一部分还是需要一些默认值，所以后面的就是通过结构体指针特有的方式进行访问相关成员函数。这是结构体指针变量特有的方式。

1.3 按键相关变量

1.3.1 按键属性结构体

typedef struct _Button Button;struct _Button { uint16_t ticks;  // tick counter uint8_t repeat : 4; // repeat counter (0-15) uint8_t event : 4;  // current event (0-15) uint8_t state : 3;  // state machine state (0-7) uint8_t debounce_cnt : 3; // debounce counter (0-7) uint8_t active_level : 1; // active GPIO level (0 or 1) uint8_t button_level : 1; // current button level uint8_t button_id;  // button identifier uint8_t (*hal_button_level)(uint8_t button_id); // HAL function to read GPIO BtnCallback cb[BTN_EVENT_COUNT]; // callback function array Button* next; // next button in linked list};
static Button btn1, btn2;

需要说明的是：

 uint8_t repeat : 4; // repeat counter (0-15) uint8_t event : 4;

这里为什么我们使用后面的4？
这是因为这是一种 ​位段（Bit Field）​​ 的声明方式，其核心作用是精确控制成员变量占用的内存位数，以节省空间并高效表示小范围整数值。

  • uint8_t：基础类型（无符号8位整数），表示该位段基于1字节（8位）内存单元分配。
  • repeat：成员变量名。
  • : 4：指定该成员占用 ​4个比特位（bit）​，而非完整的1字节（8位）。
  • ​取值范围​：4位二进制数的范围是 0~15（24=16 种可能值），适合存储小范围整数（如计数器、状态标志）。
  • 节省内存​：若 repeat 只需表示0-15的值，使用完整uint8_t（8位）会浪费4位空间，位段将其压缩至4位。
  • ​紧凑存储​：在嵌入式系统、网络协议等内存敏感场景中，位段能显著减少结构体总大小（如用户结构体中的repeat、event、state等均为位段）。

1.3.2 按键结构体参数意义

变量名​ ​数据类型/位宽​ ​含义说明​ ​功能作用​ ​**ticks**​ uint16_t ​时间计数器​ 记录按键状态持续的毫秒数，用于计算单击、长按等事件的时间阈值。 ​**repeat**​ uint8_t : 4 ​连击次数计数器​ 记录连续快速按下的次数（如双击、三击），取值范围 0~15。 ​**event**​ uint8_t : 4 ​当前事件标识​ 存储按键触发的事件类型（如按下、松开、单击等），用枚举值表示。 ​**state**​ uint8_t : 3 ​状态机当前状态​ 标识按键在状态机中的位置（共 8 种状态），驱动内部逻辑流转用。 ​**debounce_cnt**​ uint8_t : 3 ​消抖计数器​ 记录按键电平稳定的持续周期数，用于消除机械抖动干扰（通常 5ms 周期）。 ​**active_level**​ uint8_t : 1 ​有效触发电平​ 定义按键按下时的有效电平（0=低电平有效，1=高电平有效）。 ​**button_level**​ uint8_t : 1 ​当前实际电平​ 存储通过 hal_button_level 读取的当前 GPIO 电平值。 ​**button_id**​ uint8_t ​按键标识符​ 区分多个按键的唯一 ID，用于共享电平读取函数时识别不同按键。 ​**hal_button_level**​ 函数指针 ​硬件抽象层电平读取函数​ 指向用户实现的 GPIO 读取函数，参数为 button_id，返回当前电平。 ​**cb**​ BtnCallback[] ​回调函数数组​ 存储不同事件（如按下、长按）对应的回调函数指针，事件触发时调用。 ​**next**​ Button* ​链表指针​ 指向下一个按键对象，支持无限扩展按键，形成全局链表统一处理。 
 uint8_t button_id;  // button identifier uint8_t (*hal_button_level)(uint8_t button_id); // HAL function to read GPIO BtnCallback cb[BTN_EVENT_COUNT]; // callback function array Button* next; // next button in linked list

ticks 表示的按下按键的持续时长，用于计算单击、长按等事件的时间阈值。这个数据是核心，只有根据这个数据才能判断是长按、短按。并且一般单位都是ms，在初始化的时候默认是0。

repeat 表示的是单击、双击、三击等 如果是两次就表示是双击。注意我们在设计的时候没有把这个数设计的那么大，这是因为我们的连击是有常用的可能的，不可能说能连击255次，因此只需要设计合理的范围就行，这样还能节约空间。

event 表示的按键事件标志或者说是代表是按下、还是松开、还是怎么其他的可能。这是一个枚举变量，在使用枚举变量的时候其实是有一些细节的。

参考枚举文章C语言关键字—枚举

typedef enum { BTN_PRESS_DOWN = 0, // 按键按下 BTN_PRESS_UP,  // 按键抬起 BTN_PRESS_REPEAT, // 重复按下检测 BTN_SINGLE_CLICK, // 单击完成 BTN_DOUBLE_CLICK, // 双击完成 BTN_LONG_PRESS_START, // 长按开始 BTN_LONG_PRESS_HOLD, // 长按保持 BTN_NONE_PRESS // 无事件} ButtonEvent;

state 表示​状态机当前状态​ ，标识按键在状态机中的位置（共 8 种状态），驱动内部逻辑流转用。

typedef enum { BTN_STATE_IDLE = 0, // idle state 空闲状态 BTN_STATE_PRESS, // pressed state 按下状态 BTN_STATE_RELEASE, // released state waiting for timeout 释放状态 BTN_STATE_REPEAT, // repeat press state 重复按下状态 BTN_STATE_LONG_HOLD // long press hold state 长按保持状态} ButtonState;

debounce_cnt 消抖计数器，这个时间和时间计数器是不是可以产生关联。

``
active_level 有效电平的触发，也就说在按键检测时候，有可能是高电平检测有效，也有可能是低电平检测有效。

button_level 实际有效的电平，也就是通过GPIO口检测到的电平，

 handle->button_level = !active_level; // initialize to opposite of active level handle->active_level = active_level;

这个地方也是一个编程技巧，也就是我们初始化的实际电平一定是有效电平的相反数，不然可能会出现还没有按键，就导致按键检测的是有效的，避免系统出现紊乱。
开发的严谨性。

hal_button_level GPIO检测函数

输入参数：uint8_t(*pin_level)(uint8_t)可以看出我们传进去的是一个函数指针，相当于是这个函数的入口地址。 handle->hal_button_level = pin_level;

button_id 按键的ID，因为一个项目可能出现多个按键。

cb 回调函数数组。

next 按键链表指针，

void button_init(Button* handle, uint8_t(*pin_level)(uint8_t), uint8_t active_level, uint8_t button_id)

综上所述，在初始化一个按键的时候，我们需要关注的传入参数：
1、按键的属性集合，也就是按键的结构体
2、按键的检测函数，检测GPIO电平的。
3、按键按下是高电平有效还是低电平有效
4、按键的ID，表示我正在初始的是那个按键

1.4 初始化引起的思考

static Button btn1, btn2;

首先是声明按键结构体：程序启动时分配，地址固定，​保证地址有效性​&btn1 ​永不为 NULL，并且​自动零初始化（成员为 0 或 NULL）。

使用static关键字的目的是：
static 修饰的变量（无论全局或局部）存储在静态数据区​（全局/静态存储区），其内存在程序启动时已分配。

在这里不得不引申一下：

我们知道RAM里面有栈空间、堆空间、bss、data段。

  • ​栈空间（Stack）​​：存储函数调用的局部变量、参数、返回地址等，由系统自动管理，从高地址向下生长。

  • ​堆空间（Heap）​​：用于动态内存分配（如 malloc），由程序员手动管理，从低地址向上生长。

  • ​.bss 段​：存储未初始化的全局变量和静态变量，程序启动时由系统自动清零。

  • ​.data 段​：存储已初始化的全局变量和静态变量，程序启动时从 Flash 复制初始值到 RAM。

但是需要声明的是在裸机开发中一般不使用堆空间，

并且函数的执行都是在==栈空间==，那说到这里还记不记得有一个栈顶空间，对的，这个栈顶空间就是给一个上限，因此栈空间的特殊性，是从上到下的，也就是高字节到低字节分配，

  • 栈是一种线性数据结构，仅允许在栈顶（Top）​进行插入（入栈）和删除（出栈）操作。类似一摞盘子，最后放上的盘子最先被取走。

这是因为在_main函数到mainARM内核还有一段代码需要执行，因此留出来的是这一段空间，然后才是我们自己写的main函数栈顶地址，就这后面的栈顶空间就可以循环利用了。

我们首先需要知道栈顶地址是怎么得到的？

这是整个RAM的空间：

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栈是RAM顶部的最后一个区域，符合典型设计。

 Exec Addr Load Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object 0x20000000 COMPRESSED 0x00000024 Data RW  39 .data  main.o 0x20000024 COMPRESSED 0x00000040 Data RW 110 .data  modbus_app.o 0x20000064 COMPRESSED 0x000000b5 Data RW 183 .data  mb.o 0x20000119 COMPRESSED 0x00000003 PAD 0x2000011c COMPRESSED 0x0000000c Data RW 267 .data  mbrtu.o 0x20000128 COMPRESSED 0x00000008 Data RW 372 .data  modbus_slave.o 0x20000130 COMPRESSED 0x00000024 Data RW 581 .data  key_drv.o 0x20000154 COMPRESSED 0x00000024 Data RW 618 .data  led_drv.o 0x20000178 COMPRESSED 0x00000008 Data RW 668 .data  ntc_drv.o 0x20000180 COMPRESSED 0x00000006 Data RW 810 .data  rh_drv.o 0x20000186 COMPRESSED 0x00000002 PAD 0x20000188 COMPRESSED 0x0000000c Data RW 964 .data  systick.o 0x20000194 COMPRESSED 0x0000001c Data RW 1010 .data  usb2com_drv.o 0x200001b0 COMPRESSED 0x00000002 Data RW 1133 .data  portevent.o 0x200001b2 COMPRESSED 0x00000002 PAD 0x200001b4 COMPRESSED 0x00000018 Data RW 1168 .data  portserial.o 0x200001cc COMPRESSED 0x00000004 Data RW 3445 .data  mc_w.l(stderr.o) 0x200001d0 COMPRESSED 0x00000004 Data RW 3734 .data  mc_w.l(stdout.o) 0x200001d4 - 0x00000100 Zero RW 265 .bss mbrtu.o 0x200002d4 COMPRESSED 0x00000004 PAD 0x200002d8 - 0x00000030 Zero RW 580 .bss key_drv.o 0x20000308 - 0x00000014 Zero RW 666 .bss ntc_drv.o 0x2000031c COMPRESSED 0x00000004 PAD 0x20000320 - 0x00000400 Zero RW 3383 STACK  startup_gd32f30x_hd.o

通过工程的map文件可以看出在栈空间确定之前，首先确定的是data、bss数据占用的RAM空间，最后确定出栈空间的最低地址是多少。通过代码可以看出是0x20000320，大小是0x00000400，其中栈的大小是可以自己设定的。那么两者相加就是0x20000320 + 0x00000400 = 0x20000720。

 pxMBFrameCBByteReceived  0x2000007c Data  4 mb.o(.data) pxMBFrameCBTransmitterEmpty  0x20000080 Data  4 mb.o(.data) pxMBPortCBTimerExpired  0x20000084 Data  4 mb.o(.data) pxMBFrameCBReceiveFSMCur  0x20000088 Data  4 mb.o(.data) pxMBFrameCBTransmitFSMCur 0x2000008c Data  4 mb.o(.data) __stderr  0x200001cc Data  4 stderr.o(.data) __stdout  0x200001d0 Data  4 stdout.o(.data) ucRTUBuf  0x200001d4 Data 256 mbrtu.o(.bss) __initial_sp 0x20000720 Data  0 startup_gd32f30x_hd.o(STACK)

从最后一行代码也可以看出该工程的栈顶地址是0x20000720
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bss和data不会释放的，会一直占用。

即使 static 变量地址有效，若函数通过参数接收外部指针（如 button_init(&btn1, ...)），仍需检查该参数是否为空：

因此初始化的时候首先要进行检测的就是判断地址的合法性。

void button_init(Button* handle, ...) { if (!handle) return; // 必须检查，避免外部误传 NULL}

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