C语言回调函数的概念及其应用
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概念
引用维基百科上的关于回调函数的概念:
在计算机程序设计中，回调函数，或简称回调（Callback 即call then back 被主函数调用运算后会返回主函数），是指通过函数参数传递到其它代码的，某一块可执行代码的引用。这一设计允许了底层代码调用在高层定义的子程序。
打一个简单的例子就是说，如果我们在一个 RTOS 的基础上去编写应用程序，编写应用程序的这一层就是应用层，也可以说是高层，那 RTOS 内核所处的就是内核层，也可以说是底层。在编写应用程序的时候，我们可以函数调用的形式来在高层调用底层的函数来实现相关的功能，但是底层的程序在使用过程中，一般是不进行改动的，也就无法通过普通函数调用的方法去调用在高层定义的函数，而回调函数则能解决这一问题，使得底层代码调用在高层定义的子程序，下面通过一个图简单说明这个问题：
回调函数的实现
对于回调函数一种比较简单的理解也就是将一个函数指针以参数的形式传递给另一个函数，在这里不对函数指针的概念进行展开讲解，笔者在《C 语言跳转表的实现及在嵌入式设备中的应用》中简单地描述了函数指针的概念。在大多数情况下，回调函数将包括以下三个部分：
- 定义回调函数
- 注册回调函数
- 执行回调函数
下面笔者通过一个简单的例子将回调函数的实现与这三部分关联起来。
定义回调函数
回调函数的定义很简单，与普通函数的定义没有区别，比如我们定义一个看门狗计时器的回调函数如下：
/*高层*/
void Watchdog_ExpiredCallback(void)
{
//do something
}可以看出这就是一个普通的函数。
注册回调函数并执行
注册回调函数笔者在这里给出两种实现思路，先是一种比较直观的：
/*底层*/
void Watchdog_Expired(void (*Callback)(void))
{
Callback();
}可以看到这个函数的形参是一个函数指针，因此我们也就可以将我们定义的函数的指针作为函数传到当前这个函数，从而实现在底层调用高层的代码。调用方法也有两种形式，分别是以下两种：
Watchdog_Expired(Watchdog_ExpiredCallback);
Watchdog_Expired(&Watchdog_ExpiredCallback);为什么这两种调用方式结果都一致呢，其实这也就跟数组的 a 和 &a[0]的关系是一个道理，虽然表征的意义不一致，但是其数值是相等的。注册回调函数的第二种方法在形式上看着要比第一种要复杂一点，我们先采用如下方式定义一个函数指针：
typedef void (*Callback)(void);
static Callback WatchdogExpired = NULL;然后就可以这样实现注册函数：
void
Watchdog_CallbackRegister(void (*Callback)(void))
{
WatchdogExpired = Callback;
}然后就可以将我们之前定义的函数进行注册：
Watchdog_CallbackRegister(Watchdog_ExpiredCallback);这里需要注意的是上述的这个函数应该在系统初始化的时候，就完成调用，然后我们就可以在中断服务函数里完成回调函数的执行了：
void watchdog_ISR(void)
{
if (WatchdogExpired != NULL)
{
WatchdogExpired();
}
}上述便是回调函数的一个简单例子，下面笔者将分析回调函数在 rtthread 上的一个应用。
RT-Thread 空闲线程的钩子函数
我们首先来看 RT-Thread 对于空闲线程的介绍:
RT-Thread 空闲线程是系统创建的最低优先级的线程，线程状态永远为就绪态。当系统中无其他就绪线程存在时，调度器将调度到空闲线程，它通常是一个死循环，且永远不能被挂起。在空闲线程中也提供了接口来运行用户设置的钩子函数，在空闲线程运行时会调用该钩子函数，适合钩入功耗管理、看门狗喂狗等工作。
在上述介绍中提到空闲线程提供了接口来运行用户设置的钩子函数，那这又是基于什么原理呢？首先我们来看空闲函数是如何设置钩子函数，代码如下：
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;
}我们可以看到这个函数的形参是一个函数指针，自然可以想到是用到了回调函数的原理。对于此函数的实现，我们可以看到是定义了一个全局的钩子函数数组，也就是说可以注册多个回调函数，然后会根据注册的先后顺序进行执行。既然可以注册回调函数了，那么我们就可以在应用层定义一个回调函数，这里以看门狗喂狗为例，实现代码如下：
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");
}定义了回调函数，我们就可以在主程序里将注册该回调函数了：
int main(void)
{
/*省略看门狗设备的相关操作*/
rt_thread_idle_sethook(idle_hook);
}回调函数已经注册，何时会执行呢？对于当前系统而言，当当前无其他线程运行时，切换到空闲线程时会运行我们注册的回调函数，空闲线程里面的内容是这样的：
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
}
}上述代码也印证了刚才所说的，注册的多个回调函数会根据注册的顺序依次执行。最后，回顾空闲线程钩子函数的运行过程，也就和文章最开始给出的调用关系图相对应起来了。
总结
在 RT-Thread 中关于回调函数的例子也不止空闲线程钩子函数这一个，还有很多，比如调度器和串口设备里也有，不过原理都是一样的，最终实现的效果也都是能够使底层调用高层定义的代码。
参考资料：
[1] https://www.embedded.com/increasing-code-flexibility-using-callbacks/
[2]https://www.beningo.com/embedded-basics-callback-functions/
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