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从C到C++：嵌入式开发中两者的差异与过渡技巧

article 2025/1/20 18:11:31

文章目录

1. C 与 C++ 在嵌入式开发中的地位

1. C语言：嵌入式开发的基石

2. C++：拥抱现代化的嵌入式设计

3. 为何需要探讨C和C++的区别？

4. 嵌入式开发语言选择的趋势

2. C 语言和 C++ 的关键概述

1. C语言的关键概述

2. C++的关键概述

3. C 与 C++ 的关键区别

1. 编程范式：面向过程 vs 面向对象

2. 语法和语言特性

3. 标准库支持

4. 内存管理

5. 可移植性和性能

6. 代码组织性和模块化支持

4. 嵌入式开发中的选择

1. 选择语言时的关键考量因素

2. C语言的适用场景

3. C++ 的适用场景

4. C 与 C++ 的混合使用

5. 从 C 过渡到 C++

1. 为什么从 C 迁移到 C++ 是必要的？

2. 从 C 风格代码到 C++ 的初步改进

(1) 使用 C++ 编译器：C 代码与 C++ 的兼容性

(2) 使用 namespace 组织代码，代替全局命名空间

(3) 改用 class 和 struct 对相关数据和逻辑进行封装

3. 避免过渡中的常见问题

(1) 动态内存管理的开销

(2) STL 使用中的潜在性能问题

(3) 编译器兼容性问题

4. 改进实践：从 C 到 C++ 的代码优化示例

1. C 与 C++ 在嵌入式开发中的地位

嵌入式开发广泛应用于消费电子、工业自动化、医疗设备、汽车电子、物联网等领域。在这类开发任务中，语言的选择直接影响了系统的性能、生产力以及软件的维护效率。 C语言 和 C++ 是被嵌入式开发者最普遍使用的编程语言。

1. C语言：嵌入式开发的基石

作为一种经典的系统级编程语言，C语言自20世纪70年代问世以来，凭借其简洁高效的设计在嵌入式开发中占据了主导地位。以下是C语言在嵌入式开发中的核心优势：

  • 贴近硬件水平：C语言提供了接近底层硬件的操作能力，允许直接访问内存地址、寄存器，并进行位操作，这对于控制硬件设备和优化性能至关重要。
  • 编译器支持广泛：几乎所有嵌入式平台都支持C语言的编译器，从小型8位单片机到复杂的32位微控制器，开发者都能使用C语言进行开发。
  • 执行效率高：C代码经过编译后通常生成高效的机器代码，适合资源有限的嵌入式设备。
  • 稳定性和历史积累：C语言被广泛应用几十年，拥有丰富的库、工具及文档支持，且开发者社区成熟，对于新手或者需要快速开发的专业人士特别友好。

然而，C语言在现代复杂软件开发中也面临一些挑战，尤其是当系统变得庞大且需要频繁维护时，C语言的模块化能力和代码复用性显得不足。

2. C++：拥抱现代化的嵌入式设计

C++ 作为 C 的增强版本，从 1983 年引入现代化编程理念后，逐步扩展了其应用场景。虽然在早期，由于嵌入式硬件资源的限制（如内存和处理性能不足），C++ 并未完全取代 C，但随着硬件性能的提升，C++ 如今越来越多地用于嵌入式系统设计。

相比 C，C++ 提供了以下显著优势：

  • 支持多种编程范式：C++ 的面向对象编程（OOP）允许开发者通过类和对象更好地抽象和组织代码，从而提升系统复杂度的管理能力。此外，C++ 还支持泛型编程、元编程等多种开发模式。
  • 代码复用：C++ 提供了强大的模板和重载机制，降低了重复代码量，提高开发效率。例如，STL（标准模板库）为嵌入式开发提供了更现代化的数据结构和算法实现。
  • 模块化设计：C++ 的命名空间和类封装提高了代码的模块化和可维护性，这在大规模嵌入式软件项目中至关重要。
  • 更安全的内存管理：相比手动的C语言内存分配（如malloc和free），C++通过构造函数、析构函数和RAII机制（资源获取即初始化）在一定程度上减少了内存泄漏等问题。

虽然 C++ 较 C 引入了更多特性，但其稍高的复杂度和潜在性能开销，仍是嵌入式开发者在选择使用它时需要权衡的核心问题。

3. 为何需要探讨C和C++的区别？

当今嵌入式开发领域正在快速发展，传统的简单任务需求正逐渐被软硬件协同控制的复杂功能系统所取代。C 和 C++ 在嵌入式开发中的差异影响深远：

  • 嵌入式开发者习惯于使用 C，但可能很难充分理解 C++ 提供的新功能如何改善代码质量。
  • 在性能与复杂性之间，开发者需要了解何时继续使用 C，何时过渡到 C++。
  • 对于团队协作和代码扩展性来说，C++ 的模块化特性具有明显优势，但其学习成本可能会成为一个障碍。

因此，通过深入分析和对比这两种语言，嵌入式开发者可以在项目需求和硬件限制之间，更好地平衡性能、开发效率和维护成本。

4. 嵌入式开发语言选择的趋势
  • 随着嵌入式硬件性能的提升，C++ 在工业、汽车、物联网等复杂系统开发中逐渐成为主流。
  • 然而，C 语言依旧是不可取代的底层开发语言，特别是在深度受限的小型微控制器中。

这使得开发者无法简单地“二选一”，而是应该掌握两者的使用场景和开发技巧。

2. C 语言和 C++ 的关键概述

1. C语言的关键概述

长期以来，C语言被誉为“嵌入式开发的基石”，在嵌入式系统领域占据主导地位。自1972年由丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）开发以来，C语言以其灵活性、高效性和简洁性迅速流行，成为开发底层系统软件的首选语言。

C语言的核心特点：

  1. 简单直接，接近底层硬件：
    • C语言的设计专注于高效和紧凑，语法十分简洁，没有额外的复杂抽象。这一点使其非常适合资源受限的嵌入式设备。
    • 它允许直接操作硬件，如地址、寄存器访问（通过指针和位操作），对硬件的控制能力非常强大。
  2. 面向过程的设计：
    • C语言采用“自上而下”的面向过程编程范式，以函数为主要的代码组织方式。
    • 虽然这种风格简单直接，但在复杂项目中容易造成代码分散、不便于维护。
  3. 手动内存管理：
    • C语言依赖程序员通过标准库函数（如malloc和free）进行内存的分配和释放。这种低级控制既是其优势，也是其主要风险点——不当的内存管理可能会导致内存泄漏或者系统崩溃。
  4. 静态类型但灵活：
    • C强调弱类型检查（例如允许隐式类型转换），这为程序员提供了很大的自由度，但同时也增加了代码出错的可能性。
  5. 高性能，开销非常小：
    • C代码可以很容易地生成高效、紧凑的机器代码，非常适合嵌入式环境的低性能硬件，尤其是在对响应时间要求非常严格的实时系统中。

C语言在嵌入式中的典型应用场景：

  • 小型微控制器开发： 例如使用STM32、AVR或者PIC进行简单的GPIO控制、通信协议实现等。
  • 设备驱动程序开发： C语言擅长通过硬件寄存器实现底层驱动操作。
  • 实时操作系统内核： 许多经典的RTOS内核（如FreeRTOS、uC/OS-II）都使用C语言开发。

然而，C语言在模块化设计和代码复用性上的不足，使其在面对更多复杂应用时略显吃力。此时，现代化的 C++ 成为了更有效的补充和解决方案。

 

2. C++的关键概述

C++ 是由比雅尼·斯特劳斯特鲁普（Bjarne Stroustrup）基于C语言开发的扩展语言，首次引入了面向对象编程概念（OOP），旨在弥补C语言在代码组织和模块化设计方面的不足。C++增强了C语言的功能，同时保留了其高效和硬件接近性，使其成为一个既灵活又强大的高效语言。

C++ 的核心扩展特点：

  1. 支持多种编程范式：

    • 面向对象编程（OOP）： C++ 的核心特性之一，带来类、对象、继承和多态等概念，使开发者可以通过封装、继承和抽象来更好地组织和管理代码结构。
    • 泛型编程： 模板（template）功能允许开发者使用参数化类型来编写灵活且高效的代码。
    • 函数式编程特性： C++ 提供了更多函数式编程的支持，比如lambda表达式和匿名函数。

  2. 更安全的内存管理：

    • C++ 引入了构造函数和析构函数，以及 RAII（Resource Acquisition Is Initialization，资源获取即初始化）原则，可以大幅减少内存泄漏问题。
    • 提供了智能指针（如std::unique_ptr和std::shared_ptr），显著改善动态内存分配的安全性。

  3. 模块化和代码复用：

    • C++ 支持命名空间（namespace），可以显著减少命名冲突，提高可读性。
    • C++ 的标准模板库（STL）包含了多种常用数据结构和容器（如vector、map），极大地提高了代码的复用能力和开发效率。

  4. 兼容性与高性能：

    • C++ 保持了对 C 语言的高度兼容性，允许开发者在同一程序中混合使用C和C++代码。
    • C++ 提供许多低开销的语法（如内联函数、模板元编程等），可以在保持高性能的前提下提高代码表达力。

C++ 在嵌入式中的典型应用场景：

  • 复杂嵌入式系统： 如汽车电子系统中高性能的实时控制模块。
  • 中大型项目： 在支持更多功能、需要模块化设计的场景中，C++ 提供更好的工程管理能力。
  • 物联网设备： 在需要通信协议、数据加密、任务调度等更复杂的系统

3. C 与 C++ 的关键区别

1. 编程范式：面向过程 vs 面向对象

C语言是一种典型的 面向过程编程（Procedural Programming）语言，程序通过函数的调用和流程控制来构建逻辑。其核心思想是将问题分解为一个个函数，数据通常是通过结构体和全局变量共享的。

C++ 继承了 C 的面向过程编程风格，但引入了 面向对象编程（Object-Oriented Programming, OOP）以及 泛型编程（Generic Programming）的支持，成为了一种多范式编程语言。C++ 的面向对象编程允许开发者通过类和对象将数据和功能封装在一起，并通过继承和多态等机制，实现复杂系统的代码复用和可扩展性。

适用于嵌入式开发的对比：

  • C 的作用：偏向于实现简单的、靠近硬件的功能。例如：控制GPIO、ADC等外设，以及实时性要求很高的小型任务。
  • C++ 的作用：支持模块化设计，例如通过类管理不同硬件模块的状态，并在需要扩展时更容易实现对多个设备的集成和封装。

示例：

  • C代码：直接操作硬件的LED控制
void led_on() {  
    GPIOA->ODR |= (1 << 5);  // 打开LED  
}  
void led_off() {  
    GPIOA->ODR &= ~(1 << 5); // 关闭LED  
}

C++代码：通过类封装的LED模块

class LED {  
private:  
    volatile uint32_t *port;  
    uint8_t pin;  
public:  
    LED(volatile uint32_t *gpio, uint8_t gpio_pin) : port(gpio), pin(gpio_pin) {}  
    void on() { *port |= (1 << pin); }  
    void off() { *port &= ~(1 << pin); }  
};  
LED led(GPIOA, 5);  
led.on();  // 打开LED

通过面向对象的方式，设备模块（如 LED）可以被封装成可重用的组件。

 

2. 语法和语言特性

C 和 C++ 在语法上有很多相似之处，但 C++ 引入了更多语法糖和扩展特性，使其更容易表达复杂的逻辑。

  • 变量声明的位置：
    C语言要求变量在函数的开头声明，而C++允许在任意位置声明变量。

// C语言  
int i;  
for (i = 0; i < 10; ++i) { ... }  

// C++  
for (int i = 0; i < 10; ++i) { ... }

强类型检查：
C 是弱类型语言，允许通过隐式转换进行很多操作，而 C++ 是强类型语言，强调类型安全，减少编译错误。

// C语言  
void *ptr = malloc(4);  
int x = (int)ptr;  // 允许隐式转换  

// C++  
void *ptr = malloc(4);  
int x = static_cast<int>(ptr);  // 必须采用更明确的转换

  • 异常处理：
    C 使用错误码处理错误，而 C++ 提供了 try-catch 异常机制，帮助更优雅地处理问题。

适用于嵌入式开发的对比：

  • 对于资源有限的设备，C++ 的异常处理可能会带来额外的代码大小开销，因此嵌入式开发中需要谨慎引入。

 

3. 标准库支持

C 和 C++ 的标准库在功能和复杂性上存在明显差异：

  • C 语言标准库：

    • 提供有限的基础函数，如字符串处理、数学运算、文件I/O（stdio）、时间等。
    • 适合嵌入式中低资源情况，但需要开发者自己实现复杂功能。

  • C++ 标准模板库（STL）：

    • 包含丰富的数据结构和算法（如vector、map、algorithm）。
    • 提供可扩展和高性能的模板编程工具。

适用于嵌入式开发的对比：

  • 在小型系统中，C 的标准库更轻量，容易控制代码大小。
  • 在具有更多内存的大型嵌入式系统中，C++ 的 STL 能极大减少开发时间和维护成本。

 

4. 内存管理

C 和 C++ 对内存管理的控制方式不同：

  • C语言：

    • 使用 malloc 和 free 进行动态内存分配，与程序员的手动管理直接相关。
    • 如果未正确释放内存，可能引发内存泄漏问题。
char *buffer = (char *)malloc(100);  
// 使用 buffer  
free(buffer);

C++：

  • 提供了 new 和 delete 动态管理内存，此外 C++11 引入了智能指针（如std::unique_ptr），自动管理内存生命周期，减少内存泄漏的风险。
std::unique_ptr<char[]> buffer(new char[100]);  
// buffer 自动释放，无需手动调用 delete

适用于嵌入式开发的对比：

  • 对于资源受限的设备，C++ 的动态内存分配需要谨慎使用，因为内存开销可能难以预测。
  • 使用智能指针时，在嵌入式项目中需要对代码优化深入理解。

 

5. 可移植性和性能
  • C语言 的语言核心和特性非常简单，编译器支持广泛，适合各种硬件平台，移植性优异。
  • C++语言 因其复杂性，某些平台可能不完全支持所有特性（如STL）。然而，在现代嵌入式系统中，随着编译器的更新，这种限制正在逐渐减少。

在性能层面：

  • C语言的低开销、更直接的硬件操作，使得它在实时性要求高的场景更具优势。
  • C++ 的某些语言特性（如虚函数）会在运行时引入额外的开销，但如果合理使用，性能上的差距可以忽略不计。

 

6. 代码组织性和模块化支持

C语言的代码组织依赖函数和全局变量，容易在大型项目中产生命名冲突和耦合性高的问题。

C++ 提供以下改进：

  • 命名空间：避免全局命名冲突（例：namespace sensor {...}）。
  • 类和对象：通过封装和继承，使程序逻辑更清晰，模块化设计更强。

4. 嵌入式开发中的选择

1. 选择语言时的关键考量因素

嵌入式开发的复杂性使得选择语言时需要结合多个维度考虑。以下是嵌入式开发者在选择语言时需要重点考量的因素：

  1. 硬件资源：
    • CPU 性能、可用内存大小是否足够支持复杂语言特性。
    • 是否需要极高的实时性，例如在高优先级任务中，额外的开销是否值得。
  2. 系统复杂性：
    • 系统功能复杂度，是否需要模块化、代码复用或面向对象设计。
    • 代码逻辑的长期维护与扩展成本。
  3. 开发团队能力：
    • 开发团队对于 C++ 特性的熟悉程度，以及是否了解如何在嵌入式环境中优化这些特性（如使用 STL、管理动态内存等）。
  4. 项目交付需求：
    • 是否需要快速开发和小型项目交付（通常选择 C 更简单）。
    • 长期运行的高性能系统是否需要可扩展性（C++可能更合适）。

以上因素决定了选择语言并非一刀切，而需要根据具体的硬件性能和开发目标做出决策。

 

2. C语言的适用场景

尽管 C++ 提供了众多现代化特性，但 C 语言仍然是嵌入式开发的首选语言之一，尤其是在资源受限或对系统响应性要求极高的设备中，C 的高效和简洁无可替代。

适合使用 C 语言的典型场景包括：

  1. 资源受限的系统：
    • 小型微控制器：如 8 位或 16 位MCU（如 PIC、AVR 或 STM8 系列），其内存和计算能力有限，无法处理 C++ 的复杂特性。
    • 这类场景对代码大小和运行效率要求极高，C 语言生成的机器代码更小，执行速度更稳定。
  2. 实时性要求高：
    • 对于对实时性要求极高的系统（如工业控制中的硬实时任务），C 语言直接的硬件访问能力和低开销设计使其非常可靠。例如，嵌套中断处理器或时间关键型任务往往依赖于 C 的精确控制。
  3. 硬件底层开发：
    • 最底层的硬件驱动开发（如操作寄存器、配置外设），C 语言直接操作硬件地址和寄存器的能力无与伦比。
  4. 系统资源封闭，特性简单：
    • 例如，只执行简单的设备控制任务，如传感器数据采集或LED控制。

 

3. C++ 的适用场景

相较 C，C++ 更加现代化的设计使其在处理复杂项目时具有显著优势。随着嵌入式硬件性能的逐步提升（如现代32位MCU和更高性能芯片），C++ 正成为功能复杂的嵌入式系统开发的主流选择。

适合使用 C++ 的典型场景包括：

  1. 复杂的嵌入式系统：
    • 当系统代码量庞大且功能复杂时，C++ 的模块化设计（如类和命名空间）可以显著降低代码耦合度，帮助开发者更高效地管理和扩展代码。
    • 例如在汽车控制软件或高性能RTOS上使用 C++ 编写功能模块。
  2. 团队开发，需高扩展性：
    • 在多开发者协作的项目中，C++ 的封装特性可减少代码重叠并提升可维护性和复用性。
    • 适用于开发长期运行的嵌入式软件，便于日后扩展。
  3. 动态数据和复杂算法：
    • 如果系统需要大量动态数据处理，C++ 标准库提供的数据结构（如std::vector和std::map）和算法库，可以大幅简化开发难度。
  4. 特殊硬件支持的大型嵌入式设备：
    • 如物联网网关（IoT网关）、边缘计算设备等嵌入式系统，这类平台运行 Linux 或 RTOS，通常可分配更多的硬件资源，是 C++ 大显身手的领域。

4. C 与 C++ 的混合使用

在嵌入式项目中，完全使用 C 或完全使用 C++ 并非唯一的选择，尤其是当项目既需要高效底层控制，又需要模块化设计时，两者的结合使用往往更为合理。

  • 低层使用 C，高层使用 C++：
    • 通常底层硬件驱动、设备初始化部分使用 C 编写，以便直接操作硬件寄存器。
    • 上层应用逻辑（如协议栈实现、用户接口）使用 C++ 实现模块化设计，提高可读性与扩展性。
  • 现代化RTOS支持：
    • 多数现代实时操作系统（如 FreeRTOS、Zephyr）已经支持 C 和 C++ 的结合，开发者可以在不影响内核性能的前提下，自由选择语言特性。

这种组合方式兼顾了性能与开发效率，同时充分利用了语言各自的优势。

5. 从 C 过渡到 C++

在嵌入式开发领域，从单纯的 C 语言到现代化的 C++ 特性，既是一种能力提升，也是项目需求驱动下的趋势。随着嵌入式系统复杂度和模块化需求的不断增加，越来越多的开发者尝试利用 C++ 的高级语言特性优化工作流程。然而，对于大多数以 C 为主的嵌入式开发者来说，C++ 的特性可能显得过于庞大复杂，直接迁移会带来诸多问题。因此，逐步、理性地将 C 项目迁移到 C++ 是一种更加可持续的方式。

1. 为什么从 C 迁移到 C++ 是必要的？

虽然 C 是嵌入式开发的传统选择，但随着系统规模的增长和功能的复杂化，其局限性逐渐显现：

  • 代码的可维护性差：C 的函数和全局变量组织方式导致代码容易变得混乱，难以维护，尤其是在大型项目中。
  • 缺乏模块化支持：逻辑耦合严重，难以分层和抽象设计。
  • 复用性低：功能相似的代码需要不断重复编写，难以通过模块化代码实现复用。

相比之下，C++ 在这些方面具有明显的优势：

  • 通过类、命名空间、模板等特性进行模块化设计，提高代码的清晰性和扩展性。
  • 强大的标准库（STL）减少了开发者编写基本工具函数的工作，从而加速开发。
  • 利用面向对象思想，将逻辑与数据封装，提高维护效率。

然而，C++ 的一些特性（如动态内存分配、虚函数等）也可能带来性能和资源消耗问题，因此在嵌入式系统中过渡时需要谨慎。

 

2. 从 C 风格代码到 C++ 的初步改进

迁移到 C++ 不必一蹴而就，可以从以下几个简单的步骤入手，在保证 C 代码正常运行的基础上逐步引入 C++ 特性。

(1) 使用 C++ 编译器：C 代码与 C++ 的兼容性

C++ 是 C 的超集，绝大多数 C 代码都能直接通过 C++ 编译器编译运行。这意味着，第一步可以先将现有的 C 项目移植到 C++ 编译器环境下运行，而无需做任何改动。

// C 风格代码直接编译为 C++  
int add(int a, int b) {  
    return a + b;  
}  
int main() {  
    int sum = add(5, 10);  
    return 0;  
}

(2) 使用 namespace 组织代码，代替全局命名空间

在 C 中，所有的函数和变量都位于全局命名空间中，这容易导致命名冲突和代码耦合。在 C++ 中，可以通过 namespace 来将代码模块化。

C 风格：

// C 中全局命名空间可能导致冲突  
void init_gpio() { ... }  
void read_gpio() { ... }

C++ 改进：

// C++ 中通过命名空间划分模块  
namespace GPIO {  
    void init() { ... }  
    void read() { ... }  
}  
GPIO::init();  // 调用方式更清晰

(3) 改用 class 和 struct 对相关数据和逻辑进行封装

在 C 中，我们用结构体组合数据，而逻辑使用函数实现。在 C++ 中，可以用类将数据与逻辑绑定在同一个模块中。通过类的封装大大增强了代码的模块化和复用性。

C 风格：

typedef struct {  
    int pin;  
} GPIO;  

void gpio_init(GPIO *gpio, int pin) {  
    gpio->pin = pin;  
}

C++ 改进：

class GPIO {  
private:  
    int pin;  
public:  
    void init(int p) { pin = p; }  
};  
GPIO gpio;  
gpio.init(5);

3. 避免过渡中的常见问题

在从 C 过渡到 C++ 的实践中，还需要注意以下常见问题，以避免迁移中出现性能瓶颈或资源开销突增的情况。

(1) 动态内存管理的开销
  • C++ 提供了 new 和 delete 来管理动态内存，但在资源有限的嵌入式项目中，频繁分配和释放内存会增加系统开销。
  • 建议在嵌入式开发中优先使用智能指针或栈内存分配，以减少动态内存管理的副作用。
// 避免频繁使用 new/delete  
std::array<int, 10> buffer;  // 在栈上分配内存，性能更高

(2) STL 使用中的潜在性能问题
  • STL 提供了强大的容器和算法，但其内部机制可能增加运行时开销。
  • 在嵌入式环境中选择容器时，应避免使用动态增长较频繁的容器（如std::vector），可以改用固定大小容器（如std::array）。
(3) 编译器兼容性问题
  • 不同嵌入式编译器对 C++ 特性的支持存在差异（如虚函数、模板元编程等）。
  • 在迁移过程中，请根据目标平台选择合适的编译器版本，并验证目标代码的性能。

 

4. 改进实践：从 C 到 C++ 的代码优化示例

以下是一个逐步从 C 重构为 C++ 的简单示例：

C 代码：GPIO 控制

typedef struct {  
    volatile uint32_t *port;  
    int pin;  
} GPIO;  

void gpio_set(GPIO *gpio) {  
    *(gpio->port) |= (1 << gpio->pin);  
}  

void gpio_reset(GPIO *gpio) {  
    *(gpio->port) &= ~(1 << gpio->pin);  
}

C++ 重构：类的封装

class GPIO {  
private:  
    volatile uint32_t *port;  
    int pin;  
public:  
    GPIO(volatile uint32_t *p, int gpio_pin) : port(p), pin(gpio_pin) {}  
    void set() { *port |= (1 << pin); }  
    void reset() { *port &= ~(1 << pin); }  
};  

GPIO led(GPIOA, 5);  
led.set();  // 通过封装的类调用

这种重构不仅提升了代码的可读性，也使得模块复用变得更简单。


http://www.kler.cn/a/511005.html

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