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）

文章目录

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

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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：

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

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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