一、引言
信号与槽机制源自 Qt 框架，它是一种强大而优雅的事件驱动模型，旨在促进组件之间的松散耦合通信。该模式允许对象之间无需直接相互引用即可响应彼此的状态变更，从而极大地提高了系统的可扩展性和可维护性。
1.1 传统事件处理的局限性
在早期 C++ 程序中，事件处理通常通过回调函数或观察者模式来实现，但这些方法存在一些问题：
- 强耦合：回调函数需要提前注册到特定对象中，导致调用方与被调用方紧密耦合，不利于模块化和重用。
- 代码复杂度高：实现和维护复杂的事件处理逻辑较为困难，尤其是在多个对象之间需要进行交互时。
- 类型检查不足：回调函数的接口不够灵活，容易引发编译期或运行时错误。
- this 指针的绑定问题：C++ 成员函数需要显式绑定到对象实例（
this），导致回调机制实现复杂且易出错。
1.2 信号与槽机制的优势
信号与槽机制提供了一种声明式的方式来描述组件之间的关系，代码更加直观、易读和易维护，降低了程序的复杂度。例如：
connect(sender, &Sender::signal, receiver, &Receiver::slot); 这一语句清晰地表明了信号与槽之间的关系。
信号与槽机制通过 connect 函数将事件的发出者和处理者连接起来，实现了组件间的解耦，简化了事件驱动编程。
1.3 嵌入式 C 编程中的信号与槽的优势
虽然信号与槽机制主要源于面向对象语言（如 C++ 和 Qt 框架），但它的思想同样可以借鉴到嵌入式 C 编程中，用于解决某些事件通信和模块解耦问题。
- 模块解耦：信号与槽机制允许模块之间通过事件（信号）进行通信，而无需直接调用对方的接口，降低模块间的耦合度。
- 简化事件处理：使用信号与槽，可以轻松管理事件的分发和处理逻辑，而不需要手动维护复杂的回调函数或状态机。
- 动态性和灵活性：可以在运行时动态注册或解除信号与槽的绑定，支持灵活的模块间通信。
- 易于扩展：新模块可以通过注册信号与槽轻松加入系统，无需修改现有模块的实现。
- 提升代码可读性与可维护性：信号与槽机制的代码逻辑清晰，描述事件触发和响应关系的方式更直观。
- 线程安全：如果设计得当，信号与槽机制可以用于不同任务（或线程）之间的安全通信，避免复杂的同步机制。
既然信号槽有如此多的优点，嵌入式 C 开发也想拥有，下边就开始用 C 语言一步步实现它吧...
二、用宏打造一个轻量级信号与槽机制
2.1 前景回顾
如果说上一篇文章通过队列的实现只是对宏的“浅尝辄止”，让我们领略了宏在代码简化和重用上的基本功，那么这篇文章，我们可以更进一步，将目光投向更复杂、更具挑战性的场景。通过深入挖掘宏的强大能力，我们不仅要展示它的“锦上添花”，更要看到它在解决复杂问题时“化繁为简”的真正价值。
2.2 基本功能封装
信号与槽机制的核心在于信号与槽的动态连接与断开，以及通过信号调用槽函数完成事件通知。
为此，我们先无脑定义一些与 Qt 中接口相同的宏，为后续的功能实现奠定基础：
#define signals //定义信号
#define emit //发射信号
#define slots //定义槽
#define connect //链接信号与槽
#define disconnect //断开信号与槽
信号槽机制的本质是发射信号时，通过信号与槽的对应关系找到槽函数并调用它。我们需要实现的，正是这个机制。
2.3 实现声明信号的宏
在 C 语言中，信号本质上是一个函数，其触发的行为是调用与之绑定的槽函数。因此，我们需要通过 signals 宏声明信号的函数类型。
实现逻辑：
signals宏通过typedef声明信号函数类型。- 发射信号时，会通过调用该函数类型的函数指针，执行槽函数。
实现代码：
#define signals(__NAME,...) \
typedef void __NAME( __VA_ARGS__); 示例：
signals(my_signal, int value, const char *message); 上述代码将定义一个信号 my_signal，它可以传递一个 int 和一个 const char * 参数。
2.4 实现发射信号的宏
发射信号的本质是通过函数指针调用槽函数。在实现发射信号的宏时，我们需要处理以下情况：
- 动态调用与信号绑定的槽函数。
- 支持不定长参数传递。
实现步骤：
- 通过信号的函数指针调用槽函数。
- 利用参数宏解析
...的参数数量，从而正确调用不同参数数量的槽函数。
实现代码：
#define **emit(**OBJ,...) \
**PLOOC_EVAL(**RecFun_,##**VA_ARGS**) ((**OBJ)->ptRecObj,##**VA_ARGS__);
#define emit(**NAME,**OBJ,...) \
do { \
sig_slot_t *ptObj = &((**OBJ)->tObject); \
**NAME ***RecFun = ptObj->ptRecFun; \
**emit(ptObj, **VA_ARGS**) \
} while(0) 在这里：
__PLOOC_EVAL是一个辅助宏，根据参数数量自动选择对应的__RecFun_N宏。__RecFun_N定义了多种参数调用的槽函数适配逻辑。
#define **RecFun_0(**OBJ) \
**RecFun((**OBJ))
#define **RecFun_1(**OBJ, **ARG1) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1))
#define **RecFun_2(**OBJ, **ARG1, **ARG2) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2))
#define **RecFun_3(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3))
#define **RecFun_4(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3, **ARG4) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3), (**ARG4))
#define **RecFun_5(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3, **ARG4, **ARG5) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3), (**ARG4), (**ARG5))
#define **RecFun_6(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3, **ARG4, **ARG5, **ARG6) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3), (**ARG4), (**ARG5), (**ARG6))
#define **RecFun_7(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3, **ARG4, **ARG5, **ARG6, **ARG7) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3), (**ARG4), (**ARG5), (**ARG6), (**ARG7))
#define **RecFun_8(**OBJ, **ARG1, **ARG2, **ARG3, **ARG4, **ARG5, **ARG6, **ARG7, **ARG8) \
**RecFun((**OBJ),(**ARG1), (**ARG2), (**ARG3), (**ARG4), (**ARG5), (**ARG6), (**ARG7), (**ARG8))
2.5 取代 QObject 类
为了在结构体中存储信号与槽的元信息，我们定义一个 sig_slot_t 结构体，用于管理信号与槽的动态连接。
typedef struct sig_slot_t sig_slot_t;
typedef struct sig_slot_t {
char chSenderName[SIG_NAME_MAX]; // 信号名称
void *ptSenderObj; // 信号所在对象地址
void *ptRecObj; // 槽所在对象地址
void *ptRecFun; // 槽函数的地址
} sig_slot_t;
#define SIG_SLOT_OBJ sig_slot_t tObject;
在需要信号支持的结构体中，添加 SIG_SLOT_OBJ 即可。
示例：
typedef struct {
SIG_SLOT_OBJ
} my_signal_object_t; 2.6 实现 connect 函数
connect 宏用于动态建立信号与槽的连接关系。核心逻辑包括：
- 检查参数有效性。
- 将信号的函数地址与槽函数地址绑定。
void connect(void *SenderObj, const char *ptSender, void *RecObj, void *RecFun) {
if (SenderObj == NULL || ptSender == NULL || RecObj == NULL || RecFun == NULL) {
return;
}
sig_slot_t *ptMetaObj = SenderObj;
ptMetaObj->ptRecFun = RecFun;
ptMetaObj->ptRecObj = RecObj;
memcpy(ptMetaObj->chSenderName, ptSender, strlen(ptSender));
} 2.7 可选的 slots 宏
虽然槽函数在本质上是普通函数，但为了和 signals 宏对应，我们可以通过 slots 宏为槽函数提供一个语法糖，方便统一管理。
实现代码：
#define **slots(**NAME,...) \
void **NAME(**VA_ARGS__);
#define slots(**NAME,**OBJ,...) \
**slots(**NAME,_args(**OBJ,##**VA_ARGS__)) 示例：
slots(my_slot, void *obj, int value, const char *message); 2.8 设计总结
到此为止，我们实现了信号与槽的以下核心功能：
- 信号声明：通过
signals宏定义信号函数类型。 - 信号发射：通过
emit宏调用信号对应的槽函数。 - 动态连接：通过
connect宏在运行时动态绑定信号与槽。 - 统一语法：使用
slots宏声明槽函数，与信号配合使用。
在这一机制下，C 语言通过宏实现了类似 Qt 的信号与槽机制，为模块化和解耦设计提供了强大的工具支持。
三、完整的代码实现
以上代码只是展示核心部分，并且仅实现了一个信号对应一个槽，不能一个信号对应多个信号和槽，还有诸多类型检查，空指针检查等需要优化的地方，完整的代码开源链接：https://github.com/Aladdin-Wa...
完整代码信号与槽具备以下核心特征：
- 不定长参数支持：信号和槽函数可携带任意参数；
- 多路复用能力：支持一对多、多对多的灵活连接；
- 连接与断开机制：运行时动态连接和断开信号与槽；
- 类型安全与检查：防止重复连接或非法操作；
- 链表结构：高效管理信号与槽的关系；
- 宏封装：简化信号与槽的定义和操作，提升代码可读性和可维护性。
四、使用方法与 QT 中的区别
1. SIG_SLOT_OBJ 取代 QObject
SIG_SLOT_OBJ 取代 QObject，且只需要在信号所在的类中定义。
2. 定义信号不同
QT 在类里面声明信号，signals 宏是在结构体外声明信号，并且要指定信号名称，信号所在的对象地址，和一些自定义的参数：
signals(__NAME,__OBJ,...)
example：
signals(send_sig,can_data_msg_t *ptThis,
args(
uint8_t *pchByte,
uint16_t hwLen
)); 3. 发射信号不同
emit 宏的括号内需要指定信号名称，信号所在的对象地址，和自定义的参数的数据：
emit(__NAME,__OBJ,...)
example：
emit(send_sig,&tCanMsgObj,
args(
tCanMsgObj.CanDATA.B,
tCanMsgObj.CanDLC
)); 4. 定义槽不同
与定义信号语法类似
slots(__NAME,__OBJ,...)
example：
slots(enqueue_bytes,byte_queue_t *ptObj,
args(
void *pchByte,
uint16_t hwLength
)); 5. 连接信号与槽
与 QT 一样一个信号可以连接多个信号或者槽
#define connect(**SIG_OBJ,**SIG_NAME,**SLOT_OBJ,**SLOT_FUN) \
direct_connect(**SIG_OBJ.tObject,**SIG_NAME,**SLOT_OBJ,**SLOT_FUN)
example：
connect(&tCanMsgObj,SIGNAL(send_sig),&s_tFIFOin,SLOT(enqueue_bytes));
#define disconnect(**SIG_OBJ,**SIG_NAME) \
auto_disconnect(**SIG_OBJ.tObject,**SIG_NAME)
example：
connect(&tCanMsgObj,SIGNAL(send_sig)); 信号与槽的链接关系是同步调用的关系，不同于发布订阅系统的异步调用。
同步调用的特点：
- 当一个信号发出时，如果有多个槽连接到该信号，所有槽函数会按顺序被调用。
- 槽函数在信号发出时会立即执行，且不会返回控制权给发出信号的对象，直到所有槽函数执行完毕才会返回。
- 这种调用是同步的，因为发出信号时会等待槽函数的执行完成后才继续进行其他操作。
与发布-订阅模式的区别：
发布-订阅模式通常是基于异步通信的，其中发布者发送消息后，不会阻塞等待订阅者的处理结果。订阅者会异步地处理这些消息，并可能在处理完后通过回调等机制通知发布者。
下一篇将结合队列，实现一个异步调用的发布-订阅模式，敬请期待。
五、信号与槽使用示例
信号与槽模块作为我开源代码MicroBoot的核心机制，不仅提升了代码的可维护性和灵活性，还带来了更好的开发体验。
接下来实现一个将 CAN 接收的数据，存储到环形队列 ringbuf 的例子：
can.h 文件
#include "signals_slots.h"
typedef struct
{
SIG_SLOT_OBJ;
uint8_t CanDLC;
union {
uint8_t B[8];
uint16_t H[4];
uint32_t W[2];
} CanDATA;
}can_data_msg_t;
signals(send_sig,can_data_msg_t *ptThis,
args(
uint8_t *pchByte,
uint16_t hwLen
));
extern can_data_msg_t tCanMsgObj; can.c 文件
#include "can.h"
can_data_msg_t tCanMsgObj;
void HAL_CAN_RxFifo0MsgPendingCallback(CAN_HandleTypeDef *hcan)
{
HAL_StatusTypeDef status;
CAN_RxHeaderTypeDef rxheader = {0};
status = HAL_CAN_GetRxMessage(hcan, CAN_RX_FIFO0, &rxheader, (uint8_t *)tCanMsgObj.CanDATA.B);
if (HAL_OK != status)
return ;
/* get id */
if (CAN_ID_STD == rxheader.IDE)
{
tCanMsgObj.CanID_t.CanID = rxheader.StdId;
}
else
{
tCanMsgObj.CanID_t.CanID = rxheader.ExtId;
}
/* get len */
tCanMsgObj.CanDLC = rxheader.DLC;
emit(send_sig,&tCanMsgObj,
args(
tCanMsgObj.CanDATA.B,
tCanMsgObj.CanDLC
));
} main.c 文件
#include "signals_slots.h"
#include "can.h"
static uint8_t s_cFIFOinBuffer[1024];
static byte_queue_t s_tFIFOin;
MX_CAN1_Init();
HAL_CAN_Start(&hcan1);
HAL_CAN_ActivateNotification(&hcan1, CAN_IT_RX_FIFO0_MSG_PENDING);
QUEUE_INIT(&s_tFIFOin, s_cFIFOinBuffer, sizeof(s_cFIFOinBuffer));
int main(void)
{
connect(&tCanMsgObj,SIGNAL(send_sig),&s_tFIFOin,SLOT(enqueue_bytes));
while(1){
//do something
}
} END
作者：kk
原文：裸机思维
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