深入浅出剖析C语言函数指针与回调函数

一、C语言回调函数

什么是回调函数? 百度的权威解释如下:

回调函数就是一个通过函数指针调用的函数。如果你把函数的指针(地址)作为参数传递给另一个函数,当这个指针被用来调用其所指向的函数时,我们就说这是回调函数。回调函数不是由该函数的实现方直接调用,而是在特定的事件或条件发生时由另外的一方调用的,用于对该事件或条件进行响应。

 1#include <stdio.h>
 2void print();
 3int main(void)
 4{
 5    void (*fuc)(); 
 6    fuc = print ; 
 7    fuc();  
 8} 
 9void print()
10{
11    printf("hello world!\n");
12}

运行结果:

从这个例子可以看到,我们首先定义了一个函数指针fuc ,这个函数指针的返回值为void型,然后我们给函数指针赋值,赋值为print,也就是print函数的首地址,此时fuc获得了print的地址,fuc的地址等于print的地址,所以最终调用fuc();也就相当于调用了print();那么我写的这个例子明显和百度解释的不符合啊?定义是如果你把函数的指针(地址)作为参数传递给另一个函数,当这个指针被用来调用其所指向的函数时,我们就说这是回调函数,确实,有所不同,但道理是一样的,我们接下来再来看一个例子。

 1#include <stdio.h>
 2
 3int add_ret() ;
 4
 5int add(int a , int b , int (*add_value)())
 6{
 7    return (*add_value)(a,b);
 8}
 9
10int main(void)
11{
12    int sum = add(3,4,add_ret);
13    printf("sum:%d\n",sum);
14    return 0 ;
15} 
16
17int add_ret(int a , int b)
18{
19    return a+b ;
20}

运行结果:

从这个例子里,我们看到: 这样子不就符合我们的定义了嘛?我们把函数的指针(地址),这里也就是add_ret,作为参数int add(int a , int b , int (add_value)()) , 这里的参数就是int(add_value)() , 这个名字可以随便取,但是要符合C语言的命名规范。当这个指针被用来调用其所指向的函数时,我们就说这是回调函数。 我们看到add函数内部,return (add_value)(a,b) ; 这个(add_value)(a,b)相当于对指针进行了简引用,我们在main函数中,传入具体要实现功能的函数,add_ret,这个函数很简单,就是实现两数相加并返回,这里刚刚好,简引用,相当于取出指针返回地址里的值,这个值就是return a+b,也就是我们传入a和b两数相加的结果。

那么,回调函数究竟有什么作用呢?

说到这里,就有了用户和开发者之间的概念,假设,用户是实现add_ret这个函数,而开发者是实现add这个函数,现在的需求是,用户将add_ret这个函数以参数的形式传入开发者实现的add函数,add函数就会返回一个数字给用户,开发者没必要告诉用户他实现了什么东西,用户也并不知道开发者是怎么实现的,用户只需要传入自己写的函数,便可以得到开发者实现的函数的返回值,开发者可以将内容封装起来,将头文件以及库文件提供给用户。

接下来,我们用Linux来演示下这个结果,我们在目录下创建三个文件main.c,vendor.c,vendor.h

main.c是用户开发的。

vendor.c和vendor.h是开发者实现的。

在main.c中,代码如下:

 1#include <stdio.h>
 2#include "vendor.h"
 3
 4int add_ret(int a , int b)
 5{
 6        return a + b ;
 7}
 8
 9int main(void)
10{
11    int sum = add(3,4,add_ret);
12    printf("sum:%d\n",sum);
13    return 0 ;
14}

vendor.c,代码如下:

1#include "vendor.h"
2int add(int a , int b , int (*add_value)())
3{
4        return (*add_value)(a,b);
5}

vendor.h,代码如下:

1#ifndef __VENDOR_H
2#define __VENDOR_H
3
4int add(int a , int b , int (*add_value)());
5
6#endif 

接下来,我们制作一个动态链接库,最终开发者把vendor.c的内容封起来,把vendor.h提供给用户使用。

 1#include <stdio.h>
 2#include "vendor.h"
 3
 4int add_ret(int a , int b)
 5{
 6        return a + b ;
 7}
 8
 9int main(void)
10{
11    int sum = add(3,4,add_ret);
12    printf("sum:%d\n",sum);
13    return 0 ;
14}

在linux下制作动态链接库,将vendor.c和vendor.h打包成一个动态链接库

先明白以下几个命令是什么意思:

生成动态库:

gcc -shared -fPIC dvendor.c -o libvendor.so

参数含义:

-shared : 生成动态库;

-fPIC : 生成与位置无关代码;

-o :指定生成的目标文件;

使用动态库:

gcc main.c -L . –lvendor -o main

-L : 指定库的路径(编译时); 不指定就使用默认路径(/usr/lib/lib)

-lvendor : 指定需要动态链接的库是谁;

代码运行时需要加载动态库:

./main 加载动态库 (默认加载路径:/usr/lib /lib ./ …)

./main

我们将编译动态库生成的libvendor.so拷贝到/usr/lib后,现在就不需要vendor.c了,此时我们将vendor.c移除,也可以正常的编译并且执行main函数的结果,这就是回调函数的作用之一。

操作流程如下:

二、回调函数在Linux内核中的应用

回调函数在Linux内核里得到了广泛的应用,接下来,我将引用Linux内核中文件操作结构体来详细的说明。 我们首先来看到这个结构体,这段代码位于linux内核的include/linux/fs.h中,由于代码众多,我只截取几个最基本的例子: File_operations文件操作结构体:

 1struct file_operations {
 2    struct module *owner;
 3    loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
 4    ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
 5    ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
 6    ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 7    ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
 8    int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
 9    unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
10    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
11    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
12    int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
13    int (*open) (struct inode *, struct file *);
14    int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
15    int (*release) (struct inode *, struct file *);
16    int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);
17    int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
18    int (*fasync) (int, struct file *, int);
19    int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
20    ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
21    unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
22    int (*check_flags)(int);
23    int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
24    ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
25    ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
26    int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
27    long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
28              loff_t len);
29};

这段代码中,利用结构体的封装思想,将函数指针封装在一个file_operations结构体里,然后,在具体实现驱动的时候,实现具体的函数,再赋值给结构体里的函数指针做好初始化操作,我们来看看友善之臂的led驱动就明白了。 以下这段代码截取友善之臂提供的linux内核中的tiny4412_led.c

 1static struct file_operations tiny4412_led_dev_fops = {
 2    .owner          = THIS_MODULE,
 3    .unlocked_ioctl = tiny4412_leds_ioctl,
 4};
 5
 6static struct miscdevice tiny4412_led_dev = {
 7    .minor          = MISC_DYNAMIC_MINOR,
 8    .name           = DEVICE_NAME,
 9    .fops           = &tiny4412_led_dev_fops,
10};

首先,先是定义了一个结构体变量,并对结构体变量进行初始化,在这个驱动中,只实现了ioctl函数,对照着上面的结构体,ulocked_ioctl就是结构体中的这个函数指针。 long (*unlocked_ioctl) (struct file *,unsigned int, unsigned long); 再来看看友善实现的adc驱动里,也是这么来做,这里看到 : 也是C语言结构体的一种初始化方式,也是合理的。

 1static struct file_operations adc_dev_fops = {
 2    owner:  THIS_MODULE,
 3    open:   exynos_adc_open,
 4    read:   exynos_adc_read,    
 5    unlocked_ioctl: exynos_adc_ioctl,
 6    release:    exynos_adc_release,
 7};
 8static struct miscdevice misc = {
 9    .minor  = MISC_DYNAMIC_MINOR,
10    .name   = "adc",
11    .fops   = &adc_dev_fops,
12};

在内核中,有很多这样的函数指针,所以,当我们了解了这样的套路以后,再去学习linux内核,我们的思想就会清晰很多了。 再来看看回调函数在linux内核里的基本应用。 从上节我们了解到,回调函数的本质其实也就是函数指针,只不过定义有所区别。它的定义就是:你把函数的指针(地址)作为参数传递给另一个函数,当这个指针被用来调用其所指向的函数时,我们就说这是回调函数。 接下来我们来看一个例子: 这段代码摘自友善之臂的button驱动:

 1static int tiny4412_buttons_open(struct inode *inode, struct file *file)
 2{
 3    int irq;
 4    int i;
 5    int err = 0;
 6
 7    for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(buttons); i++) {
 8        if (!buttons[i].gpio)
 9            continue;
10
11        setup_timer(&buttons[i].timer, tiny4412_buttons_timer,
12                (unsigned long)&buttons[i]);
13
14        irq = gpio_to_irq(buttons[i].gpio);
15        err = request_irq(irq, button_interrupt, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, 
16                buttons[i].name, (void *)&buttons[i]);
17        if (err)
18            break;
19    }
20
21    if (err) {
22        i--;
23        for (; i >= 0; i--) {
24            if (!buttons[i].gpio)
25                continue;
26
27            irq = gpio_to_irq(buttons[i].gpio);
28            disable_irq(irq);
29            free_irq(irq, (void *)&buttons[i]);
30
31            del_timer_sync(&buttons[i].timer);
32        }
33
34        return -EBUSY;
35    }
36
37    ev_press = 1;
38    return 0;
39}

我们在tiny4412_buttons_open函数里看到

1err = request_irq(irq, button_interrupt, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH,
2                                 buttons[i].name,(void *)&buttons[i]);

我们来看看request_irq这个函数:

1static inline int __must_check
2request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
3        const char *name, void *dev)
4{
5    return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
6}

到这里我们就明白了,第二个参数是一个用typedef重新定义的一个新类型的函数指针。 那么也就是说一旦执行了tiny4412的open函数,就会通过request_irq去通过回调函数去执行按键中断,并返回一个中断句柄。这个回调函数,其实就是一个中断服务函数。

1static irqreturn_t button_interrupt(int irq, void *dev_id)
2{
3    struct button_desc *bdata = (struct button_desc *)dev_id;
4
5    mod_timer(&bdata->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(40));
6
7    return IRQ_HANDLED;
8}

回调函数在内核中就是这么来使用的,当然,还有其它的,比如我们在tiny4412的open函数里面还看到:

1   setup_timer(&buttons[i].timer,tiny4412_buttons_timer,
2              (unsignedlong)&buttons[i]);

这个函数的作用是注册一个定时器,通过回调函数tiny4412_buttons_timer来进行触发。 如果你不看它的定义,你可能以为它是一个普通函数,其实它是一个宏封装的。

1#define setup_timer(timer, fn, data)                    \
2    do {                                \
3        static struct lock_class_key __key;         \
4        setup_timer_key((timer), #timer, &__key, (fn), (data));\
5    } while (0)

这个宏函数通过调用setup_timer_key这个函数来实现定时器的注册:

 1static inline void setup_timer_key(struct timer_list * timer,
 2                const char *name,
 3                struct lock_class_key *key,
 4                void (*function)(unsigned long),
 5                unsigned long data)
 6{
 7    timer->function = function;
 8    timer->data = data;
 9    init_timer_key(timer, name, key);
10}

通过这个例子,我们更加了解到回调函数在Linux内核中的应用,为学习Linux内核,分析linux内核源代码打下了基础。

三、回调函数在Posix应用API中的使用 其实,在Posix应用编程里,我们也能用到回调函数,我们来看看多线程编程中,经常使用的pthread_create函数: 我们先来看看它的原型:

1int  pthread_create((pthread_t *thread,  pthread_attr_t  *attr,  void  *(*start_routine)(void *),  void  *arg)

参数说明:

(1) thread:表示线程的标识符

(2) attr:表示线程的属性设置

(3) start_routine:表示线程函数的起始地址

(4) arg:表示传递给线程函数的参数

函数的返回值为:

(1) success:返回0

(2) fair:返回-1

看到这个函数的第三个参数,这不就是一个函数指针,同时也是一个回调函数嘛!这就是函数指针和回调函数在UNIX环境多线程编程中的应用。

我们在windows的dev C++上写一个测试程序来看看:

 1#include <stdio.h>
 2#include <pthread.h>
 3
 4
 5void *function(void *args)
 6{
 7    while(1)
 8    {
 9        printf("hello world1!\n");
10        sleep(1);
11    }
12}
13int main(void)
14{
15    pthread_t tid ;
16    tid = pthread_create(&tid , NULL , function , NULL);
17    while(1)
18    {
19        printf("hello world!\n");
20        sleep(1);
21    }
22    return 0 ;
23}

运行结果:

我们会看到在main函数里的打印语句和在线程回调函数void *function(void *args)里打印语句在同时打印。 关于这个函数的如何使用,网上文章有很多讲得非常的详细,这里仅仅只是写函数指针和回调函数的应用,详细可以参考这篇文章,了解进程和线程。 http://blog.csdn.net/tommy_wxie/article/details/8545253

当然,应用里还有其它的API通用运用到了回调函数,期待大家在实践中去发掘。

原文发布于微信公众号 - 嵌入式开发圈(gh_d6ff851b4069)

原文发表时间:2019-02-28

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