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2011 年8 月，ISO 委員會發(fā)布了 C++11，2017 年 12 月又發(fā)布了 C++17 標(biāo)準(zhǔn)，每次編程語言新版本的迭代，會令不少團(tuán)隊也開始著手升級開發(fā)環(huán)境，例如本文作者。那么從 C++11 升級到 C++17，究竟有哪些特別的變化值得關(guān)注？

最近，我們團(tuán)隊正在升級開發(fā)環(huán)境，嘗試使用許多工具和編程語言的新版本。在這個過程中，比較困難的一項工作是將我們的嵌入式應(yīng)用程序的代碼庫從 C++11 升級到 C++17。

在本文中，我將展示在嵌入式世界中非常有用的一些C++17 的特性（注意：從 C++11 遷移到 C++17 也涵蓋了 C++14，因此我也會提到 C++14 的一些特性）。

查看完整的C++17特性列表，可前往：https://github.com/AnthonyCalandra/modern-cpp-features#c17-language-features。

C++14 的主要變化

當(dāng)初，我們從 C++03 遷移到了 C++11，與之相比，從 C++11 升級到 C++14 時看到的升級比較小。因此，可以在嵌入式系統(tǒng)中使用的 C++14 特有功能實際上并不多。

二進(jìn)制字面量

如果你經(jīng)常需要執(zhí)行按位運算或修改寄存器，那么一定很喜歡這些字面量。一些編譯器具有支持此類字面量的擴(kuò)展，這些字面量在實際的標(biāo)準(zhǔn)中也有一席之地。

uint8_t a = 0b110; // == 6
uint8_t b = 0b1111'1111; // == 255

constexpr**

在 C++14 中，可以在 constexpr 函數(shù)中使用的語法得到了擴(kuò)展。constexpr 特別適用于嵌入式開發(fā)，因為它可以在編譯時進(jìn)行計算并將一些代碼簡化為常量。請注意，只有當(dāng)表達(dá)式的所有需求都可以在編譯期間確定時，才能在編譯時計算表達(dá)式。

constexpr int factorial(int n) {
if (n <= 1) {
return 1;
} else {
return n * factorial(n - 1);
}
}
factorial(5); // == 120 (Calculated at compile time)

C++ 17 的世界

與 C++14 相比，C++17 標(biāo)準(zhǔn)有了很大的變化，但無需擔(dān)心，你仍然可以使用已有的功能。除了已有功能之外，你還將擁有更強(qiáng)大的 C++17 語法和庫。

（1）屬性

首先，我們來介紹三個新屬性：[[fallthrough]]、[[nodiscard]] 和 [[maybe_unused]]。因為這些屬性只在編譯時考慮，所以你根本不需要擔(dān)心它們的效率。它們的存在就是為了提升代碼開發(fā)。

[[fallthrough]]

你可以利用這個屬性將兩個相鄰的 case 分支的主體合并到一個 switch 中，而不會收到來自編譯器的任何警告。你可以通過這個屬性告訴編譯器前一個case主體結(jié)束是有意為之。

switch (n) {
case 1: [[fallthrough]]
// ...
// no `break;`
case 2:
// ...
break;
}

[[nodiscard]]

你是不是也經(jīng)常忘記檢查函數(shù)的返回值？有了這個屬性，丟棄返回值就會收到編譯器的警告。

[[nodiscard]] bool do_something() {
return is_success; // true for success, false for failure
}
do_something(); /* warning: ignoring the return value of function declared with attribute 'nodiscard' */

[maybe_unused]]

為了避免收到警告，必須將未使用的變量轉(zhuǎn)換為 void，你是不是也感到不耐煩？試試看這個屬性，你就可以擺脫那些煩人的警告。

void my_callback(std::string msg, [[maybe_unused]] bool error) {
// Don't care if `msg` is an error message, just log it.
log(msg);
}

（2）編譯時的力量

編譯時的檢查是我最喜歡 C++ 的地方。在 C++17 中，這種能力通過一些新特性得到進(jìn)一步增強(qiáng)。想一想許多嵌入式系統(tǒng)中繁瑣的調(diào)試過程，如今甚至不需要部署代碼就可以檢查結(jié)果，是不是覺得是個特大好消息？傳輸可執(zhí)行文件、準(zhǔn)備環(huán)境和測試等一系列工作都非常艱巨，而且很耗時。但使用編譯時編程，這部分頭疼的工作都可以省略。

沒有消息的靜態(tài)斷言

你可能認(rèn)為，我們已經(jīng)有了 static_assert(..)，可以在編譯時進(jìn)行檢查。而如今，斷言機(jī)制甚至不需要錯誤消息。這樣，代碼看上去會更加清晰。

static_assert(false);

if constexpr

我最喜歡的一個語句！我們可以利用 if constexpr 編寫一些代碼，這些代碼可以根據(jù)編譯時的條件，有選擇地進(jìn)行實例化。

template<typename T>
auto length(const T& value) noexcept {
if constexpr (std::integral::value) { // is number
return value;
}
else {
return value.length();
}
}
int main() noexcept {
int a = 5;
std::string b = "foo";
std::cout << length(a) << ' ' << length(b) << '
'; // Prints "5 3"
}

在 C++17 之前，上面這段代碼需要編寫兩個不同的函數(shù)，分別用于字符串和整數(shù)輸入，如下所示。

int length(const int& value) noexcept {
return value;
}
std::size_t length(const std::string& value) noexcept {
return value.length();

constexpr lambda

如果你也喜歡在代碼中使用 lambda 表達(dá)式，那么肯定會喜歡這個功能。此外，Lambdas 的調(diào)用也可以采用直接聲明為 constexpr 的形式。

auto identity = [](int n) constexpr { return n; };
static_assert(identity(123) == 123);

（3）語法糖

在 C++17 中，有一些功能可以幫助你編寫更漂亮的代碼。即使它們的存在對運行時性能沒有明顯的影響，但你會很喜歡它們。

折疊表達(dá)式

如果你有過使用可變參數(shù)模板來編寫具有可變輸入或迭代次數(shù)的遞歸算法的經(jīng)歷，那么就可能遇到必須為該可變參數(shù)模板函數(shù)實現(xiàn)終止符的問題。例如，下面的代碼是用 C++11 編寫的，作用是累加給定的數(shù)字。

int sum() { return 0; } // Termination function
template<typename ...Args>
int sum(const int& arg, Args... args) {
return arg + sum(args...);
}

如果我們沒有實現(xiàn)不接受任何輸入的終止符，這段代碼將無法通過編譯。但有了折疊表達(dá)式，你就不必實現(xiàn)終止符了，而代碼看上去也更好，如下所示。

template<typename ...Args>
int sum(Args&&... args) {
return (args + ...);
}

嵌套命名空間

不知道為什么 C++ 委員會以前沒有想到這一點。無需多說，分別看下面 C++11 和 C++17 中嵌套命名空間的定義，你就能發(fā)現(xiàn)區(qū)別。

// C++11
namespace A {
namespace B {
namespace C {
int i;
}
}
}
// C++17
namespace A::B::C {
int i;
}

加強(qiáng)版的條件語句

如果所有條件語句都像 for 語句一樣具有初始化，那是不是更強(qiáng)大？在 C++17 中，條件語句也增加了初始化部分。

這是迄今為止我所見過的最強(qiáng)大的功能之一，因為你無需在輸入一系列 if-else 語句或 switch-case 之前，編寫一堆局部變量。

if (int i = 4; i % 2 == 0) {
cout << i << " is even number" << endl;
}
switch (int i = rand() % 100; i) {
default:
cout << "i = " << i << endl;
break;
}

內(nèi)聯(lián)變量

在 C++17 之前，我們必須在源文件中實例化類內(nèi)靜態(tài)變量。如今，你可以使用內(nèi)聯(lián)變量將聲明和初始賦值合并到類定義中，如下所示。

struct BabaMrb {
static const int value = 10;
static inline std::string className = "Hello Class";
}

（4）其他特性

C++17 中還有許多我不知道如何歸類的的其他特性。下面，我們來逐一介紹。

復(fù)制省略

復(fù)制省略（Copy elision），即返回值優(yōu)化，是大多數(shù)編譯器為防止在某些情況下出現(xiàn)額外副本而實現(xiàn)的優(yōu)化。從 C++17 開始，直接返回對象時必然會觸發(fā)復(fù)制省略。在某些情況下，即使只有一次復(fù)制操作也會影響系統(tǒng)的性能，例如對實時性有嚴(yán)格要求的系統(tǒng)。遇到這種情況，我們最好確保避免復(fù)制，以免降低系統(tǒng)性能。

struct C {
C() { std::cout << "Default constructor" << std::endl; }
C(const C&) { std::cout << "Copy constructor" << std::endl; }
};
C f() {
return C();  // Definitely performs copy elision
}
C g() {
C c;
return c;    // May perform copy elision
}
int main() {
C obj = f(); // Copy constructor isn't called
}

共享互斥鎖

在使用共享互斥鎖后，我們就可以按需讀取對象而無需加鎖，而寫調(diào)用可以照往常一樣使用常規(guī)互斥鎖來鎖定對象。共享互斥鎖可以加快只讀訪問操作的速度，因為讀取操作可以同步進(jìn)行。

硬件干涉大小

這個新的庫功能可以幫助你在編譯期間確定 L1 緩存行的大小。有了這個功能，你就可以根據(jù) L1 緩存行的大小調(diào)整結(jié)構(gòu)、緩沖區(qū)等。我在使用 C++11 為 ARM Cortex-A9 內(nèi)核實現(xiàn)低級裸機(jī) DMA 驅(qū)動程序時就會用到這個功能，因為在編寫這些代碼時，我需要手動管理高速緩存和主內(nèi)存之間的一致性。

盡管此功能非常強(qiáng)大，但直到版本 12 才在所有版本的 GCC 中實現(xiàn)，因此很可能你當(dāng)前的編譯器并不支持。如下代碼是一個示例，可以幫助你更好地理解這個功能。

#ifdef __cpp_lib_hardware_interference_size // Undefined prior to C++17
using std::hardware_constructive_interference_size;
using std::hardware_destructive_interference_size;
#else
// 64 bytes on x86-64 │ L1_CACHE_BYTES │ L1_CACHE_SHIFT │ __cacheline_aligned │ ...
constexpr std::size_t hardware_constructive_interference_size   = 64;
constexpr std::size_t hardware_destructive_interference_size    = 64;
#endif
struct alignas(hardware_constructive_interference_size) OneCacheLiner { // occupies one cache line
std::atomic_uint64_t x{};
std::atomic_uint64_t y{};
};

總結(jié)

與 C++14 不同，C++17 引入了許多新特性。其中一些功能對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)非常有幫助。

不同產(chǎn)品之間，嵌入式設(shè)備的計算能力差異很大。由于 CPU 性能、缺乏編譯器支持、驗證必要性等多種原因，我選擇的某些功能可能不適用于你的固件。總體而言，遷移到 C++17 可能需要花費大量的時間和精力，請認(rèn)真考慮是否需要遷移。