本篇我們來分享函數(shù)式編程與非函數(shù)式編程在嵌入式應用中的對比。
函數(shù)式 VS 非函數(shù)式編程
函數(shù)式編程（或稱函數(shù)程序設計、泛函編程）是一種編程范式，它將計算視為函數(shù)的求值，避免使用共享狀態(tài)和可變數(shù)據(jù)，強調函數(shù)的純粹性和不可變性。
在嵌入式應用領域，函數(shù)式編程與非函數(shù)式編程（如常見的指令式編程）在多個方面存在顯著差異，下面將從多個方面對它們進行對比。
1、可測試性
函數(shù)式編程：
純函數(shù)的特性使得函數(shù)式編程的代碼具有很高的可測試性。
由于函數(shù)的輸出只依賴于輸入，測試時只需要提供不同的輸入?yún)?shù)并驗證輸出結果是否符合預期即可，無需考慮復雜的外部環(huán)境和狀態(tài)。
我們在嵌入式軟件，有必要進行自測嗎？這篇文章中就是使用了函數(shù)式編程可測試性高的特點：
非函數(shù)式編程：
非函數(shù)式編程中存在大量的共享狀態(tài)和副作用，測試時需要模擬復雜的外部環(huán)境和狀態(tài)，增加了測試的難度和復雜度。
2、可維護性
函數(shù)式編程：
代碼結構通常圍繞函數(shù)的組合和復用構建，函數(shù)之間的依賴關系清晰，每個函數(shù)只負責單一的任務。
這使得代碼具有較高的模塊化程度，易于理解和維護。
例如，在處理傳感器數(shù)據(jù)時，可以將數(shù)據(jù)讀取、處理等操作分別封裝成獨立的純函數(shù)，然后通過函數(shù)組合完成整個處理流程。
#include
#include
#include
// 模擬讀取傳感器數(shù)據(jù)
float read_sensor(void)
{
srand(time(NULL));
return (float)rand() / RAND_MAX * 100;
}
// 對傳感器數(shù)據(jù)進行平方處理
float square(float value)
{
return value * value;
}
void print_sensor_data(float value)
{
printf("Processed sensor data: %f\n", value);
}
int main(void)
{
float sensor_value = read_sensor();
float processed_value = square(sensor_value);
print_sensor_data(processed_value);
return0;
}- 每個函數(shù)都是純函數(shù)，輸入和輸出明確，不依賴或修改全局狀態(tài)。
- 提高了代碼的可維護性，例如可以獨立測試
square函數(shù)。
非函數(shù)式編程：
非函數(shù)式編程（如指令式編程）通常使用變量、循環(huán)和條件語句來控制程序的執(zhí)行流程。
代碼結構更側重于描述如何一步步完成任務，可能會涉及到較多的狀態(tài)變化和副作用。
在處理復雜邏輯時，代碼可能會變得冗長和復雜，可讀性和可維護性相對較低。
例如，在一個嵌入式控制系統(tǒng)中，使用命令式編程可能會有大量的循環(huán)和條件判斷來實現(xiàn)不同的控制邏輯，代碼的整體結構不夠清晰。
上面?zhèn)鞲衅鞯睦又校褂梅呛瘮?shù)式編程的實現(xiàn)方式如：
#include
#include
#include
// 模擬讀取傳感器數(shù)據(jù)
float sensor_value;
void read_sensor(void)
{
srand(time(NULL));
sensor_value = (float)rand() / RAND_MAX * 100;
}
// 對傳感器數(shù)據(jù)進行平方處理
void square_sensor_data(void)
{
sensor_value = sensor_value * sensor_value;
}
void print_sensor_data(void)
{
printf("Processed sensor data: %f\n", sensor_value);
}
int main(void)
{
read_sensor();
square_sensor_data();
print_sensor_data();
return0;
}- 該實現(xiàn)使用全局變量 sensor_value來存儲傳感器數(shù)據(jù)，不同函數(shù)對其進行讀寫操作，存在副作用。
- 代碼的可維護性和可測試性較差，因為函數(shù)之間的依賴關系不清晰，修改一個函數(shù)可能影響其他函數(shù)。
3、性能與資源利用
函數(shù)式編程：
函數(shù)式編程中頻繁創(chuàng)建不可變數(shù)據(jù)的副本和函數(shù)調用會增加內存開銷和執(zhí)行時間。
在嵌入式系統(tǒng)中，由于資源有限，這種開銷可能會對系統(tǒng)性能產生較大影響。
例如，在一個資源受限的單片機系統(tǒng)中，過多地使用函數(shù)式編程可能會導致內存不足或處理速度變慢。此外，一些函數(shù)式編程的特性（如遞歸調用）可能會導致棧溢出等問題。
#include
#define ARRAY_SIZE 1000
// 函數(shù)式遞歸累加數(shù)組元素
int sum_array_recursive(int arr[], int index)
{
if (index == 0)
{
return arr[0];
}
return arr[index] + sum_array_recursive(arr, index - 1);
}
int main(void)
{
int arr[ARRAY_SIZE];
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
{
arr[i] = i;
}
int sum = sum_array_recursive(arr, ARRAY_SIZE - 1);
printf("Sum: %d\n", sum);
return0;
}使用遞歸的方式累加數(shù)組元素，每次遞歸調用都會在棧上分配新的棧幀。當數(shù)組規(guī)模較大時，遞歸調用會導致棧空間的大量使用，可能會引發(fā)棧溢出問題。
非函數(shù)式編程：
非函數(shù)式編程可以直接操作內存和硬件資源，通過合理的優(yōu)化可以實現(xiàn)較高的性能和資源利用率。
在嵌入式系統(tǒng)中，命令式編程通常可以更好地控制內存分配和釋放，減少不必要的開銷。
上面累加數(shù)組元素的例子中，使用非函數(shù)式編程方式的實現(xiàn)：
#include
#define ARRAY_SIZE 1000
// 非函數(shù)式累加數(shù)組元素
int sum_array(int arr[], int size)
{
int result = 0;
for (int i = 0; i < size; i++)
{
result += arr[i];
}
return result;
}
int main(void)
{
int arr[ARRAY_SIZE];
for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
{
arr[i] = i;
}
int sum = sum_array(arr, ARRAY_SIZE);
printf("Sum: %d\n", sum);
return0;
}該代碼使用簡單的循環(huán)結構，直接對數(shù)組元素進行累加操作。內存使用方面，僅使用了固定大小的數(shù)組和一個整型變量來存儲結果，沒有額外的內存開銷。
總結
函數(shù)式編程和非函數(shù)式編程在嵌入式應用中各有優(yōu)缺點。
在選擇編程范式時，需要根據(jù)具體的應用場景、系統(tǒng)需求和資源限制來綜合考慮。
對于一些對可維護性和可測試性要求較高、對性能要求相對較低的嵌入式應用，可以考慮使用函數(shù)式編程；
而對于對性能、資源利用要求較高的嵌入式應用，非函數(shù)式編程可能是更好的選擇。
在實際開發(fā)中，也可以將兩種編程范式結合使用，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢。