本篇我們來(lái)分享函數(shù)式編程與非函數(shù)式編程在嵌入式應(yīng)用中的對(duì)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(shè)計(jì)、泛函編程）是一種編程范式，它將計(jì)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(qiáng)調(diào)函數(shù)的純粹性和不可變性。

在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，函數(shù)式編程與非函數(shù)式編程（如常見(jiàn)的指令式編程）在多個(gè)方面存在顯著差異，下面將從多個(gè)方面對(duì)它們進(jìn)行對(duì)比。

1、可測(cè)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(cè)試性。

由于函數(shù)的輸出只依賴于輸入，測(cè)試時(shí)只需要提供不同的輸入?yún)?shù)并驗(yàn)證輸出結(jié)果是否符合預(yù)期即可，無(wú)需考慮復(fù)雜的外部環(huán)境和狀態(tài)。

我們?cè)?a target="_blank" data-linktype="2" rel="noopener">嵌入式軟件，有必要進(jìn)行自測(cè)嗎？這篇文章中就是使用了函數(shù)式編程可測(cè)試性高的特點(diǎn)：

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(cè)試時(shí)需要模擬復(fù)雜的外部環(huán)境和狀態(tài)，增加了測(cè)試的難度和復(fù)雜度。

2、可維護(hù)性

函數(shù)式編程：

代碼結(jié)構(gòu)通常圍繞函數(shù)的組合和復(fù)用構(gòu)建，函數(shù)之間的依賴關(guān)系清晰，每個(gè)函數(shù)只負(fù)責(zé)單一的任務(wù)。

這使得代碼具有較高的模塊化程度，易于理解和維護(hù)。

例如，在處理傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，可以將數(shù)據(jù)讀取、處理等操作分別封裝成獨(dú)立的純函數(shù)，然后通過(guò)函數(shù)組合完成整個(gè)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(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)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(hù)性，例如可以獨(dú)立測(cè)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(yǔ)句來(lái)控制程序的執(zhí)行流程。

代碼結(jié)構(gòu)更側(cè)重于描述如何一步步完成任務(wù)，可能會(huì)涉及到較多的狀態(tài)變化和副作用。

在處理復(fù)雜邏輯時(shí)，代碼可能會(huì)變得冗長(zhǎng)和復(fù)雜，可讀性和可維護(hù)性相對(duì)較低。

例如，在一個(gè)嵌入式控制系統(tǒng)中，使用命令式編程可能會(huì)有大量的循環(huán)和條件判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制邏輯，代碼的整體結(jié)構(gòu)不夠清晰。

上面?zhèn)鞲衅鞯睦又?，使用非函?shù)式編程的實(shí)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(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)使用全局變量 sensor_value來(lái)存儲(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)，不同函數(shù)對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，存在副作用。
• 代碼的可維護(hù)性和可測(cè)試性較差，因?yàn)楹瘮?shù)之間的依賴關(guān)系不清晰，修改一個(gè)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(diào)用會(huì)增加內(nèi)存開(kāi)銷和執(zhí)行時(shí)間。

在嵌入式系統(tǒng)中，由于資源有限，這種開(kāi)銷可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生較大影響。

例如，在一個(gè)資源受限的單片機(jī)系統(tǒng)中，過(guò)多地使用函數(shù)式編程可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)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(diào)用）可能會(huì)導(dǎo)致棧溢出等問(wèn)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(diào)用都會(huì)在棧上分配新的棧幀。當(dāng)數(shù)組規(guī)模較大時(shí)，遞歸調(diào)用會(huì)導(dǎo)致棧空間的大量使用，可能會(huì)引發(fā)棧溢出問(wèn)題。

非函數(shù)式編程：

非函數(shù)式編程可以直接操作內(nèi)存和硬件資源，通過(guò)合理的優(yōu)化可以實(shí)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?？梢愿玫乜刂苾?nèi)存分配和釋放，減少不必要的開(kāi)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(shí)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(jiǎn)單的循環(huán)結(jié)構(gòu)，直接對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行累加操作。內(nèi)存使用方面，僅使用了固定大小的數(shù)組和一個(gè)整型變量來(lái)存儲(chǔ)結(jié)果，沒(méi)有額外的內(nèi)存開(kāi)銷。

總結(jié)

函數(shù)式編程和非函數(shù)式編程在嵌入式應(yīng)用中各有優(yōu)缺點(diǎn)。

在選擇編程范式時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景、系統(tǒng)需求和資源限制來(lái)綜合考慮。

對(duì)于一些對(duì)可維護(hù)性和可測(cè)試性要求較高、對(duì)性能要求相對(duì)較低的嵌入式應(yīng)用，可以考慮使用函數(shù)式編程；

而對(duì)于對(duì)性能、資源利用要求較高的嵌入式應(yīng)用，非函數(shù)式編程可能是更好的選擇。

在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，也可以將兩種編程范式結(jié)合使用，充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)。