07 结构体嵌套：公共数据与行为的复用

C 语言面向对象系列

总纲：C 语言面向对象设计概览

封装：结构体与多实例接口

信息隐藏：公共接口与内部实现

模块组织：命名约定与对象生命周期

数据组织：实例状态、模块状态与常量

HAL 实例：STM32 外设接口中的封装设计

结构体嵌套：公共数据与行为的复用（当前篇）

函数指针：可替换行为与回调

操作表：使用 ops 组织对象接口

多态：统一接口、行为分发与类型转换

接口约定：必选操作、可选操作与默认实现

框架整合：应用、驱动与平台的分层

工程扩展：自动注册与 Linux 内核中的对象组织

前面的封装让每个 LED 拥有独立数据。接下来考虑多种 LED 实现：GPIO LED、PWM LED、呼吸灯和 RGB LED 都需要记录状态，但各自还需要不同的配置。

本节通过结构体嵌套提取公共部分。这种写法可以实现类似继承的数据复用，C 代码仍然需要显式访问内嵌成员、调用公共函数。

找出重复的字段

分别定义三种 LED 时，可能会重复填写公共成员：

typedef struct {
    uint8_t pin;
    uint8_t brightness;
    bool is_on;
    bool initialized;
} GpioLed_t;

typedef struct {
    uint8_t pin;
    uint8_t brightness;
    bool is_on;
    bool initialized;
    uint8_t pwm_channel;
} PwmLed_t;

typedef struct {
    uint8_t pin;
    uint8_t brightness;
    bool is_on;
    bool initialized;
    uint16_t period_ms;
} BreathingLed_t;

这三个类型的前四个字段相同。如果要增加公共字段 name，就需要修改三个定义。初始化标志检查等公共操作，也容易在多个函数中重复。

提取基础结构体

将共同字段放进 LedBase_t：

typedef struct {
    uint8_t pin;
    uint8_t brightness;
    bool is_on;
    bool initialized;
} LedBase_t;

具体类型再将它作为成员，并添加各自需要的数据：

typedef struct {
    LedBase_t base;
} GpioLed_t;

typedef struct {
    LedBase_t base;
    uint8_t pwm_channel;
} PwmLed_t;

typedef struct {
    LedBase_t base;
    uint16_t period_ms;
    bool increasing;
} BreathingLed_t;

base 保存公共部分，pwm_channel、period_ms 和 increasing 保存具体实现所需的数据。

写法	含义
`LedBase_t base;`	在对象中保存公共数据
`gpio_led.base.pin`	访问公共成员
`led_base_on(&obj->base)`	将公共部分交给基础函数处理
具体结构体新增成员	保存该类型独有的数据

公共函数接收 `LedBase_t *`

公共函数只需要接收基础部分的指针：

int led_base_init(LedBase_t *me, uint8_t pin)
{
    if (me == NULL) {
        return -1;
    }

    me->pin = pin;
    me->brightness = 0;
    me->is_on = false;
    me->initialized = true;

    gpio_init(pin);
    gpio_write(pin, false);

    return 0;
}

int led_base_off(LedBase_t *me)
{
    if (me == NULL) {
        return -1;
    }

    if (!me->initialized) {
        return -2;
    }

    me->is_on = false;
    gpio_write(me->pin, false);

    return 0;
}

具体类型初始化时，先调用公共初始化函数，再处理自己的配置：

int gpio_led_init(GpioLed_t *me, uint8_t pin)
{
    if (me == NULL) {
        return -1;
    }

    return led_base_init(&me->base, pin);
}

int pwm_led_init(PwmLed_t *me, uint8_t pin, uint8_t channel)
{
    if (me == NULL) {
        return -1;
    }

    int ret = led_base_init(&me->base, pin);
    if (ret != 0) {
        return ret;
    }

    me->pwm_channel = channel;
    pwm_init(channel);

    return 0;
}

GPIO LED 直接复用基础初始化。PWM LED 在基础初始化成功后，再保存通道并调用 pwm_init()。

这里仍沿用前面的简化实现，基础函数中还包含 GPIO 操作。结构体嵌套已经复用了数据和部分逻辑，但要让不同硬件共用同一操作接口，还需要后面的函数指针和操作表。

基础成员的布局与取址

本系列将 base 放在具体结构体的第一个成员：

typedef struct {
    LedBase_t base;
    uint8_t pwm_channel;
} PwmLed_t;

因此对象起始位置就是基础成员。取得基础指针时，直接使用 LedBase_t *base = &pwm_led.base; 即可。

需要区分两个概念：把 base 放在首位是一种布局约定，而 &pwm_led.base 是对成员取地址。即使成员不在首位，也可以这样取址。后面的 container_of 会根据成员偏移计算完整对象的地址。

复用数据后仍需处理行为差异

不同 LED 的点亮方式并不相同：GPIO LED 设置电平，PWM LED 设置占空比，RGB LED 可能控制三个通道，呼吸灯还需要定时改变亮度。

如果基础函数固定调用 gpio_write()，它就不能直接完成其他硬件的点亮操作。本节的结构体嵌套解决了公共数据和已有公共逻辑的复用；各类型的行为差异会在后续章节通过函数指针和 ops 处理。

与 C++ 继承的对照

C++ 可以用基类和派生类组织这些数据：

// C++
class LedBase {
protected:
    int pin;
    int brightness;
    bool is_on;
};

class PwmLed : public LedBase {
private:
    int pwm_channel;
};

C 则显式嵌入基础结构体：

// C
typedef struct {
    int pin;
    int brightness;
    bool is_on;
} LedBase_t;

typedef struct {
    LedBase_t base;
    int pwm_channel;
} PwmLed_t;

两种写法在数据组织上的对应如下：

C++	本例中的 C 写法
基类 `Base`	基础结构体 `LedBase_t`
`class Derived : public Base`	在具体类型中嵌入 `LedBase_t base`
访问基类数据	通过 `base.xxx` 访问成员
调用基类操作	显式调用 `led_base_xxx(&obj->base)`
派生类自身的数据	具体结构体新增的成员