掌握C++编程技巧，实现嵌入式系统功能的灵活应用

1. 前言

嵌入式系统是指将计算机系统嵌入到其他设备中，使其能够自主控制或监控其它设备。随着科技的发展，嵌入式系统应用越来越广泛，而C++作为一种高效的编程语言，常常用于开发嵌入式系统应用程序。本文将介绍一些实用的C++编程技巧，有助于实现嵌入式系统功能的灵活应用。

2. 使用constexpr提高程序性能

C++11标准引入了constexpr关键字，它可以让编译器在编译期计算表达式，并将结果嵌入到程序中。这样做可以提高程序的运行效率，特别是在嵌入式系统领域非常实用。可将程序中常量计算提前计算出来，编译时期直接嵌入程序，这样可以减少CPU的运算时间。

2.1 示例代码

constexpr int square(int val)
{
    return val * val;
}
int main()
{
    constexpr int val = 5;
    constexpr int result = square(val);
    //result的值已在编译期计算好并嵌入程序，运行时不需要重新计算
    std::cout << "result = " << result << std::endl;
}

在上面的代码中，square函数会在编译期计算，所以result的值也会在编译期嵌入程序中。这样可以大大提高程序的执行效率。

3. 使用STL提高程序可读性

C++标准库提供了许多容器和算法，这些功能被称为STL（Standard Template Library，标准模板库）。STL提供的容器和算法可以大大提高程序的可读性，并且许多算法的效率也非常高。在嵌入式系统编程中，STL也是非常实用的。

3.1 使用容器

STL中最常用的容器包括vector、list和map等。这些容器可以帮助我们更方便地管理数据，并简化代码的编写。

3.1.1 vector

vector是STL中最常用的容器之一，可以看做一个动态数组。我们可以使用vector来管理一组数据，其大小可以动态地调整。

代码示例

#include 
#include 
int main()
{
    std::vector v;
    v.push_back(1);
    v.push_back(2);
    v.push_back(3);
    for(auto& elem : v)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    return 0;
}

上述代码中，我们使用vector来管理一组整数数据。在代码中可以看到，我们并没有显示地指定vector的大小，但在程序运行时，其大小可以动态地调整。通过调用push_back函数，可以往vector中不断添加元素。

3.1.2 list

list是STL中另一个常用的容器，属于双向链表。我们可以使用list来管理一组数据，其大小也可以动态地调整。

代码示例

#include 
#include 
int main()
{
    std::list l;
    l.push_back(1);
    l.push_back(2);
    l.push_back(3);
    for(auto& elem : l)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    return 0;
}

上述代码中，我们使用list来管理一组整数数据。与vector不同的是，list是一个双向链表，可以在O(1)时间内在任意位置插入或删除元素。同样通过调用push_back函数，可以往list中不断添加元素。

3.1.3 map

map是STL中用来处理键值对的容器，可以看做一个非常强大的字典。我们可以使用map来管理一组键值对数据。

代码示例

#include 
#include 
int main()
{
    std::map m;
    m["hello"] = 1;
    m["world"] = 2;
    std::cout << m["hello"] << std::endl;
    std::cout << m["world"] << std::endl;
    return 0;
}

上述代码中，我们使用map来管理一组键值对数据。map常用于存储字典类型数据，如将一组字符串对应到对应的整数值中。可以看到，我们可以通过如下方式将键值对添加到map中：

m["hello"] = 1;

类似地，我们也可以将键值对删除：

m.erase("hello");

3.2 使用算法

STL中也提供了一些常用的算法，可以帮助我们更方便地处理数据。使用STL提供的算法可以大大提高程序的可读性，并且许多算法的效率也非常高。

3.2.1 sort

sort是按照指定的比较方式对指定的序列进行排序的算法。在嵌入式系统编程中，我们经常需要对一组数据进行排序，而sort可以提供非常方便的排序功能。

代码示例

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    std::vector v = {6, 3, 8, 2, 5};
    std::sort(v.begin(), v.end());
    for(auto& elem : v)
    {
        std::cout << elem << " ";
    }
    return 0;
}

上述代码中，我们使用sort来对一个vector进行排序。sort的函数原型为：

template <typename RandomAccessIterator> void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, Compare comp);

其中first和last分别为需要排序的数组的首元素和尾元素的下一个位置。comp是一个比较函数，用于比较两个元素的大小。上述代码中，我们使用默认的比较函数std::less来对vector进行排序。

3.2.2 accumulate

accumulate是对序列进行累加操作的算法，在嵌入式系统编程中也非常实用。accumulate的函数原型为：

template <typename InputIterator, typename T> T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init);

其中first和last分别为需要累加的数组的首元素和尾元素的下一个位置。init是一个初始值，用于对数组元素进行 ??化。该函数会返回一个累加和的结果。

代码示例

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    std::vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
    int sum = std::accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
    std::cout << "sum = " << sum << std::endl;
    return 0;
}

上述代码中，我们使用accumulate来对一个vector进行累加操作，并计算累加和。可以看到，该函数确实能够提供很好的累加功能，避免了我们自己编写循环的麻烦。

4. 使用C++11标准提高代码清晰度

C++11标准引入了很多新的语言特性，这些特性可以让我们更好地编写清晰易读的代码。以下是其中的一些实用特性：

4.1 auto类型推断

在C++11之前，我们需要显式地指定变量的类型。而在C++11中，可以使用auto关键字自动推断变量类型。

代码示例

#include 
#include 
int main()
{
    auto i = 10;
    auto s = "hello world";
    std::vector v = {1, 2, 3};
    return 0;
}

上述代码中，我们使用auto关键字定义了整型变量i、字符串变量s和整型vector变量v。自动类型推断可以让代码更加简洁易读，避免了显式指定类型时的烦恼。

4.2 lambda表达式

在C++11中，lambda表达式是一个非常强大的特性，可以让我们更轻松地定义一些简单的函数或函数对象。

代码示例

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    std::vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
    int count = std::count_if(v.begin(), v.end(), [](int x){ return x % 2 == 0; });
    std::cout << "count = " << count << std::endl;
    return 0;
}

上述代码中，我们使用lambda表达式来计算vector中偶数元素的个数。可以看到，使用lambda表达式可以非常方便地在函数内定义一个简单的函数对象，避免了需要定义函数或函数对象的麻烦。

4.3 nullptr关键字

在C++11之前，我们使用NULL来表示指针空指针。在C++11中，可以使用nullptr关键字来表示指针空指针。

代码示例

#include 
void func(int* ptr)
{
    if(ptr == nullptr)
    {
        std::cout << "ptr is null" << std::endl;
    }
    else
    {
        std::cout << "ptr is not null" << std::endl;
    }
}
int main()
{
    int* p1 = nullptr;
    int* p2 = NULL;
    func(p1);
    func(p2);
    return 0;
}

上述代码中，我们使用nullptr关键字和NULL宏分别定义了两个指针变量，并使用func函数判断它们是否指向空指针。可以看到，nullptr关键字在判断指针是否为空时更加清晰易懂。

5. 总结

本文介绍了一些实用的C++编程技巧，有助于实现嵌入式系统功能的灵活应用。使用这些技巧可以提高程序的运行效率和可读性，并且可以让代码更加清晰易懂。在编写嵌入式系统应用程序时，这些技巧非常实用。