嵌入式C++實戰：從C語言無縫切換到現代C++

阿瑪爾?馬哈茂德貝戈維奇（Amar Mahmutbegovi?）是Semblie公司的聯合創始人兼工程負責人，他帶領團隊將現代 C++ 技術應用於固件開發。他的專業領域涵蓋藍牙低功耗（BLE）消費類設備與醫療設備開發，為包括初創企業在內的各類客戶提供精密成熟的解決方案。阿瑪爾對創新的執著追求，助力眾多電子產品理念成功落地。在嵌入式開發社區中，阿瑪爾通過博客與領英（LinkedIn）積極分享C++語言的優勢，同時為年輕工程師提供指導，幫助他們提升現代開發實踐技能。他的工作目標是讓嵌入式系統 易於開發、維護且具備可擴展性，為 開發者搭建起傳統開發方法與現代高效技術之間的橋梁。

第1部分 嵌入式開發中的C++簡介
第1章 破除關於C++的常見誤解　2
1.1 C++的簡要發展史　3
1.2 帶類的C語言　4
1.2.1 現代C++　4
1.2.2 泛型類型　5
1.2.3 constexpr說明符　12
1.3 代碼膨脹與運行時開銷　16
1.3.1 構造函數與析構函數　16
1.3.2 優化　20
1.3.3 模板　22
1.3.4 RTTI與異常　23
1.4 總結　25
第2章 資源受限嵌入式系統的挑戰　27
2.1 *關鍵型與硬實時嵌入式系統　27
2.1.1 *氣囊控制單元與實時性需求　28
2.1.2 固件性能與非確定性測量　29
2.2 動態內存管理　32
2.2.1 內存碎片　33
2.2.2 C++動態內存管理的*關鍵型指南　34
2.2.3 C++標準庫中的動態內存管理　35
2.3 禁用不需要的C++特性　39
2.4 總結　41
第3章 嵌入式C++生態系統　42
3.1 編譯器與開發環境　42
3.1.1 Arm Keil MDK與Arm嵌入式編譯器　44
3.1.2 IAR C/C++編譯器與IAR Arm嵌入式工作臺　45
3.1.3 廠商支持的IDE與GCC　46
3.2 靜態分析器　48
3.3 單元測試　51
3.4 性能分析　55
3.5 總結　57
第4章 搭建C++嵌入式項目開發環境　58
4.1 現代軟件開發環境的需求　58
4.1.1 編譯器　59
4.1.2 構建自動化　60
4.1.3 模擬器　60
4.1.4 代碼編輯器　60
4.2 容器化開發環境　61
4.2.1 用CMake構建“Hello, World!”程序　62
4.2.2 使用CMake構建固件　65
4.3 容器化開發環境與Visual Studio Code的結合　66
4.4 總結　70
第2部分 C++基礎
第5章 類—C++應用的構建塊　72
5.1 封裝　72
5.1.1 setter與getter　74
5.1.2 靜態方法　75
5.1.3 結構體　76
5.2 存儲期與初始化　77
5.2.1 非靜態成員的初始化　77
5.2.2 靜態成員初始化　81
5.3 繼承與動態多態　82
5.3.1 虛函數　84
5.3.2 動態多態　87
5.4 總結　88
第6章 類外核心特性—C++進階基礎基石　89
6.1 命名空間　89
6.1.1 無名命名空間　91
6.1.2 嵌套命名空間　91
6.2 函數重載　92
6.3 與C語言的互操作性　93
6.3.1 C++中的外部鏈接和語言鏈接　94
6.3.2 C++中的C標準庫　94
6.4 引用　95
6.4.1 值類別　96
6.4.2 左值引用　97
6.4.3 右值引用　97
6.5 標準庫容器與算法　99
6.5.1 數組　99
6.5.2 容器適配器　100
6.5.3 算法　101
6.6 總結　103
第7章 強化固件—實用的C++錯誤處理方法　104
7.1 錯誤碼與斷言　104
7.1.1 全局錯誤處理器　107
7.1.2 斷言　108
7.2 異常　112
7.3 std::optional與std::expected　114
7.4 總結　117
第3部分 C++*概念
第8章 使用模板構建通用、可覆用的代碼　120
8.1 模板基礎　120
8.1.1 模板函數的調用　121
8.1.2 模板特化　123
8.2 模板元編程　124
8.3 concept　127
8.4 編譯時多態　128
8.5 總結　132
第9章 使用強類型提升類型*　133
9.1 隱式轉換　133
9.1.1 數值提升與數值轉換　135
9.1.2 數組到指針的轉換　138
9.1.3 函數到指針的轉換　140
9.2 顯式轉換　141
9.2.1 const_cast　141
9.2.2 static_cast　142
9.2.3 dynamic_cast　144
9.2.4 reinterpret_cast　145
9.3 強類型　150
9.4 總結　154
第10章 使用lambda編寫高可讀性代碼　155
10.1 lambda表達式基礎　155
10.2 使用std::function存儲lambda表達式　157
10.2.1 命令模式　160
10.2.2 GPIO中斷管理器　161
10.3 std::function與動態內存分配　164
10.4 總結　166
第11章 編譯時計算　167
11.1 模板　167
11.2 constexpr說明符　169
11.2.1 示例1：MAC地址解析器　171
11.2.2 示例2：生成查找表　173
11.3 consteval說明符　183
11.4 總結　184
第4部分 使用C++解決嵌入式領域問題
第12章 編寫C++硬件抽象層（HAL）　186
12.1 內存映射的外設　186
12.1.1 CMSIS內存映射的外設　187
12.1.2 C++中的內存映射外設　188
12.1.3 C++中類型*的內存映射外設　191
12.2 定時器　195
12.3 總結　199
第13章 使用C語言庫　200
13.1 在C++項目中使用C語言HAL　200
13.1.1 用於靈活軟件設計的UART接口　201
13.1.2 適配器模式中的UART接口　204
13.2 靜態類　205
13.3 利用RAII封裝littlefs C庫　207
13.3.1 LittleFS—適用於微控制器的文件系統　207
13.3.2 基於RAII的C++包裝器　210
13.3.3 利用RAII實現更簡潔的文件管理　212
13.4 總結　213
第14章 用序列器增強*循環　214
14.1 *循環及序列器的設計動機　214
14.2 設計序列器　216
14.3 存儲可調用對象　218
14.4 實現序列器　221
14.5 總結　224
第15章 實用模式—構建溫度發布器　225
15.1 觀察者模式　225
15.2 運行時實現　227
15.3 編譯時實現　230
15.3.1 利用可變參數模板　230
15.3.2 改進編譯時實現　233
15.4 總結　235
第16章 設計可擴展的有限狀態機　236
16.1 FSM—簡單實現　236
16.1.1 描述狀態和事件　238
16.1.2 跟蹤當前狀態和處理事件—FSM類　238
16.1.3 使用ble_fsm類　240
16.1.4 分析輸出　241
16.2 FSM—使用狀態模式的實現　242
16.2.1 理解狀態類接口　242
16.2.2 重構ble_fsm類　244
16.2.3 實現狀態模式　245
16.2.4 狀態設計模式　246
16.3 使用標簽分發的狀態模式實現　247
16.4 Boost SML　250
16.5 總結　252
第17章 庫與框架　253
17.1 標準庫　253
17.1.1 GCC中的獨立式實現與宿主式實現　254
17.1.2 數值與數學　254
17.1.3 容器與算法　255
17.1.4 模板元編程　257
17.1.5 嵌入式應用中應避免的標準庫部分　258
17.2 嵌入式模板庫（ETL）　258
17.2.1 固定大小的容器　258
17.2.2 使用etl::delegate存儲可調用對象　259
17.2.3 ETL提供的其他工具　259
17.3 Pigweed　259
17.3.1 Pigweed的Sense教程　260
17.3.2 RPC和協議緩沖區　264
17.4 編譯時初始化與構建（CIB）　266
17.4.1 在溫度發布器示例中使用CIB　267
17.4.2 擴展溫度發布器示例　269
17.5 總結　272
第18章 跨平臺開發　273
18.1 編寫可移植代碼的重要性　273
18.2 SOLID設計原則　274
18.2.1 單一職責原則（SRP）　277
18.2.2 開閉原則（OCP）　277
18.2.3 裏氏替換原則（LSP）　278
18.2.4 接口隔離原則（ISP）　278
18.2.5 依賴倒置原則（DIP）　278
18.3 可測試性　278
18.4 總結　281