32、C++编程：从标准库扩展到C代码应用-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/jupyter5notebook/article/details/151675978

C++编程：从标准库扩展到C代码应用

在C++编程领域，有许多重要的技术和概念值得深入探讨。本文将围绕C++标准库扩展、独立实现模式，以及在C++项目中使用C语言代码等方面展开详细介绍。

1. C++标准库扩展与独立实现

C++标准将编译器实现分为托管式（hosted）和独立式（freestanding）两种。托管式实现能提供完整的语言和库支持，涵盖所有指定的头文件；而独立式实现支持的库函数和头文件相对较少。

目前，有持续的努力在尝试扩展独立式实现的范围，使其包含更多的强制头文件和库函数。在实际编程中，一种经过精心挑选的、高效且节省资源的库函数集得到了广泛应用，该集合在很大程度上与这一扩展方向相符。

一些开发者认为，独立式实现非常适合资源受限的领域。例如，那些对某些“重型”语言元素（如堆的使用、运行时类型信息（RTTI）、异常处理、线程、浮点函数支持等）可能带来的开销较为敏感的应用。因此，独立式实现或其未来的类似解释，可能是使用C++进行裸机实时嵌入式微控制器编程的理想选择。

2. 在C++中使用C语言代码

在C++项目中访问C语言代码是很常见的需求，尤其是在嵌入式微控制器编程领域。下面以循环冗余校验（CRC）计算为例，详细介绍如何在C++中使用C语言代码。

2.1 访问C语言代码

假设有一个用C语言编写的函数 FunctionInC ，存储在C文件中：

// This is in a C file.
void FunctionInC(void)
{
    // ...
}

若要在C++文件中调用该函数，需使用 extern "C" 声明，以告知C++编译器该函数具有C链接：

// This is in a C++ file.
// Tell the C++ compiler about the C function.
extern "C" void FunctionInC(void);
void do_something()
{
    // Now the C++ compiler can access the C function.
    FunctionInC();
}

extern "C" 声明会使C++编译器停用该函数的名称修饰，从而使 FunctionInC 在C和C++中都可访问。

2.2 现有的C语言CRC库

在嵌入式微控制器系统中，CRC计算常用于验证一个或多个字节流数据的完整性。AUTOSAR 4.3标准规定了至少四种CRC算法，包括8位、16位、32位和64位。以下是这些CRC算法的主要特性：
| CRC名称 | 位数 | 多项式 | CRC(0x31 … 0x39) |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| CRC8/AUTOSAR | 8 | 0x2F | 0xDF |
| CRC16/CCITT-false | 16 | 0x1021 | 0x29B1 |
| CRC32/AUTOSAR | 32 | 0xF4ACFB13 | 0x1697D06A |
| CRC64/XZ | 64 | 0x42F0E1EBA9EA3693 | 0x995DC9BBDF1939FA |

以8位CRC为例，其C语言接口包含初始化、字节处理和最终化等函数：

void Crc08_Initialize(Crc8_Context_Type* Crc_Context);
void Crc08_ProcessBytes(const uint8_t* DataIn, const size_t DataLength, Crc8_Context_Type* Crc_Context);
void Crc8_Finalize(Crc08_Context_Type* Crc_Context);

使用这个C语言的CRC库很简单，以下是一个计算ASCII字符1到9的CRC8的示例：

// This is in a C file.
#include <stdint.h>
#include <math/checksums/crc/Crc08.h>
static const uint8_t test_data[9U] =
{
    0x31U, 0x32U, 0x33U, 0x34U,
    0x35U, 0x36U, 0x37U, 0x38U,
    0x39
};
void do_something(void)
{
    // Perform the Crc08 with the traditional
    // C-language interface.
    Crc08_Context_Type CrcContext;
    Crc08_Initialize(&CrcContext);
    Crc08_ProcessBytes(&test_data[0U], sizeof(test_data), &CrcContext);
    Crc08_Finalize(&CrcContext);
    // The result is 0xDF.
    const uint8_t CrcResult = CrcContext.Crc_Value;
    (void) CrcResult;
}

2.3 用C++类包装C语言CRC库

可以将现有的C语言CRC库用C++类进行包装，以实现面向对象的编程。以下是一个抽象基类 cpp_crc_base 的定义：

class cpp_crc_base
{
public:
    virtual ~cpp_crc_base() = default;
    void initialize();
    void process_bytes(const std::uint8_t*, const std::size_t);
    void finalize();
    cpp_crc_base& operator=(const cpp_crc_base&);
    template<typename value_type>
    value_type get_result();
    template<typename value_type>
    value_type checksum(const std::uint8_t*, const std::size_t);
};

基于这个基类，可以派生出对应四种AUTOSAR CRC类型的类，例如64位版本的 cpp_crc64 ：

class cpp_crc64 final : public cpp_crc_base
{
public:
    cpp_crc64();
    cpp_crc64(const cpp_crc64&);
    virtual ~cpp_crc64() = default;
    // ...
};

在应用层，可以使用基类指针容器来计算和测试8位、16位、32位和64位的校验和：

// Calculate and verify the 8-bit, 16-bit,
// 32-bit and 64-bit CRC.
std::for_each(checksums.begin(), checksums.end(), [](local_crc_base_type* my_crc)
{
    // ...
    my_crc->initialize();
    my_crc->process_bytes(...);
    my_crc->finalize();
    // ...
});

3. CRC计算的效率和优化

对CRC计算进行CPU运行时间测量是很有必要的，可使用微控制器I/O端口和数字示波器进行测量。以下是不同CRC算法的代码大小和运行时间：
| CRC名称 | 代码大小（字节） | 运行时间（µs） |
| ---- | ---- | ---- |
| CRC8/AUTOSAR | 300 | 15 |
| CRC16/CCITT-false | 600 | 20 |
| CRC32/AUTOSAR | 1200 | 30 |
| CRC64/XZ | 2300 | 90 |

对比CRC32/AUTOSAR和CRC32/MPEG - 2的效率特性，虽然两者都是32位的CRC算法，但运行时间和代码大小差异很大：
| CRC名称 | 算法 | 代码大小（字节） | 运行时间（µs） |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| CRC32/AUTOSAR | Table[256], 8 - 位 | 1200 | 30 |
| CRC32/MPEG - 2 | Table[16], 4 - 位 | 320 | 300 |

这是因为CRC32/AUTOSAR使用了一个包含256个条目的更大数据表和8位逐字节的数据处理算法，而CRC32/MPEG - 2使用的是一个只有16个条目的数据表和基于4位半字节的数据处理算法。在8位微控制器上，使用更大的数据表和更快的逐字节算法虽然需要更多的存储空间，但能显著缩短运行时间。这是实时嵌入式C++编程中常见的空间与速度的权衡。

4. 相关知识拓展

对于想要深入学习C、现代C++编程、C++标准库和STL、C++编码规范、软件设计、嵌入式系统工具链以及微控制器软硬件等方面知识的读者，可以参考以下内容：
- C语言 ：C89、C99和C11版本的规范，以及原始C标准库的详细文档。
- C++语言 ：C++98、C++03、C++11、C++14和C++17的正式语言规范，C++核心语言、面向对象技术和有效使用STL的综合信息，C++标准库扩展（TR1）的详细描述等。
- 编程实践 ：如何有效使用C++11和C++14的书籍，C++性能报告，STL容器和算法的深入介绍，C++模板和模板元编程的知识等。
- 硬件相关 ：微控制器板设计、工具、启动、处理器架构和内存拓扑的讨论，电子学的广泛实用概览，ARDUINO®开源微控制器板项目的详细信息等。

通过对上述内容的学习和实践，开发者可以更好地掌握C++编程技术，提高编程效率和代码质量。

C++编程：从标准库扩展到C代码应用

5. 独立式实现的优势与应用场景

独立式实现因其对资源的高效利用，在特定领域展现出独特优势。以下是其优势和适用场景的详细分析：
- 优势
- 资源节省 ：独立式实现支持较少的库函数和头文件，能有效减少程序的内存占用和代码大小，适合资源受限的设备。
- 灵活性 ：可根据具体需求选择所需的库函数和头文件，定制化程度高。
- 应用场景
- 嵌入式系统 ：在嵌入式微控制器编程中，设备的内存和处理能力有限，独立式实现能避免“重型”语言元素带来的开销，确保程序的高效运行。
- 实时系统 ：对于对实时性要求较高的系统，独立式实现可减少不必要的开销，保证系统的响应速度。

下面通过一个简单的流程图展示独立式实现的应用流程：

graph TD;
    A[开始] --> B[选择独立式实现];
    B --> C[确定所需库函数和头文件];
    C --> D[编写代码];
    D --> E[编译和调试];
    E --> F[部署到目标设备];
    F --> G[运行程序];
    G --> H[结束];

6. 在C++中使用C语言代码的最佳实践

在C++项目中使用C语言代码时，需要遵循一些最佳实践，以确保代码的正确性和可维护性。以下是一些建议：
- 使用 extern "C" 声明 ：在C++文件中调用C语言函数时，使用 extern "C" 声明，避免名称修饰问题。
- 封装C语言代码 ：将C语言代码封装在C++类中，实现面向对象的编程，提高代码的可维护性。
- 进行充分测试 ：在使用C语言代码之前，进行充分的测试，确保其功能的正确性。

下面是一个使用 extern "C" 声明的示例：

// This is in a C++ file.
// Tell the C++ compiler about the C function.
extern "C" void FunctionInC(void);
void do_something()
{
    // Now the C++ compiler can access the C function.
    FunctionInC();
}

7. CRC计算的性能优化策略

为了提高CRC计算的性能，可以采用以下优化策略：
- 选择合适的算法 ：根据具体需求选择合适的CRC算法，如CRC32/AUTOSAR使用的8位逐字节算法在运行时间上具有优势。
- 优化数据表 ：使用更大的数据表可以提高计算速度，但会增加内存占用，需要在空间和速度之间进行权衡。
- 并行计算 ：在多核处理器上，可以采用并行计算的方式提高CRC计算的效率。

以下是不同CRC算法的性能对比表格：
| CRC名称 | 代码大小（字节） | 运行时间（µs） | 算法特点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| CRC8/AUTOSAR | 300 | 15 | 简单高效，适用于对性能要求不高的场景 |
| CRC16/CCITT-false | 600 | 20 | 中等复杂度，性能适中 |
| CRC32/AUTOSAR | 1200 | 30 | 使用8位逐字节算法，运行时间短 |
| CRC64/XZ | 2300 | 90 | 复杂度高，适用于对数据完整性要求较高的场景 |

8. 总结

本文围绕C++编程的多个方面进行了介绍，包括C++标准库扩展、独立式实现、在C++中使用C语言代码、CRC计算的效率和优化等。通过对这些内容的学习，开发者可以更好地掌握C++编程技术，提高编程效率和代码质量。在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的技术和算法，在资源利用和性能之间找到平衡。同时，不断学习和实践，积累经验，才能在C++编程领域取得更好的成果。

希望本文能为广大C++开发者提供有价值的参考，帮助他们在编程之路上不断前进。