C++ 支持

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ESP-IDF 主要使用 C 语言编写,并提供 C 语言 API。但 ESP-IDF 也支持使用 C++ 开发应用程序,与 C++ 开发相关的各种主题在本文档中列出。

ESP-IDF 支持以下 C++ 功能:

esp-idf-cxx 组件

esp-idf-cxx 组件为一些 ESP-IDF 中的功能提供了更高级别的 C++ API,该组件可以从 乐鑫组件注册表 中获取。

C++ 语言标准

默认情况下,ESP-IDF 使用 C++23 语言标准和 GNU 扩展 (-std=gnu++23) 编译 C++ 代码。

要使用其他语言标准编译特定组件的源代码,请按以下步骤,在组件的 CMakeLists.txt 文件中设置所需的编译器标志:

idf_component_register( ... )
target_compile_options(${COMPONENT_LIB} PRIVATE -std=gnu++11)

如果组件的公共头文件也需要以该语言标准编译,请使用 PUBLIC 而非 PRIVATE

多线程

支持 C++ 线程,互斥锁和条件变量。C++ 线程基于 pthread 构建,而 pthread 封装了 FreeRTOS 任务。

有关在 C++ 中创建线程的示例,请参阅 cxx/pthread。该示例演示了如何使用 ESP-pthread 组件修改 C++ 线程的堆栈大小、优先级、名称和内核亲和性。

备注

std::jthread 的析构函数只能从 线程 APIC++ 线程库 API 创建的任务中安全地调用。

异常处理

ESP-IDF 默认禁用对 C++ 异常处理的支持,可以用 CONFIG_COMPILER_CXX_EXCEPTIONS 选项启用该支持。

如果抛出了异常处理,却没有相应的 catch 块,程序将由 abort 函数终止,并打印回溯信息。有关回溯信息的更多信息,请参见 严重错误

C++ 异常处理应 应用于异常情况,即意外情况及罕见情况,如发生频率低于 1% 的事件。请勿 将 C++ 异常处理用于流程控制,详情请参阅下文的资源使用部分。有关使用 C++ 异常处理的更多详情,请参阅 ISO C++ FAQCPP 核心指南

有关 C++ 异常处理的示例,请参阅 cxx/exceptions。该示例演示了如何在 ESP32-H2 中启用和使用 C++ 异常,示例中声明了一个类,当提供的参数等于 0 时,这个类会在构造函数中抛出异常。

C++ 异常处理及所需资源

启用异常处理后,应用程序的二进制文件通常会增加几个 KB。

此外,可能需要为异常处理应急内存池保留一部分 RAM。如果无法从堆内存中分配异常处理对象,则会使用该池中的内存。

使用 CONFIG_COMPILER_CXX_EXCEPTIONS_EMG_POOL_SIZE 变量可以设置异常处理应急内存池的内存量。

当且仅当 C++ 异常抛出时,会使用额外的栈内存(约 200 字节),从而从栈内存顶部调用函数,启动异常处理。

使用 C++ 异常处理的代码的运行时间取决于运行时实际发生的情况。

  • 如果没有抛出异常,则异常处理的代码运行速度会更快,因为无需检查错误代码。

  • 如果抛出异常,异常处理代码的运行时间会比返回错误代码的代码长几个数量级。

如果抛出异常,解开栈代码的速度要比返回错误代码慢好几个数量级。所增加的运行时长取决于应用程序的要求和错误处理的实现方式(例如,是否需要用户输入或发送消息到云端)。因此,在实时关键的代码路径中,不应使用会抛出异常的代码。

运行时类型信息 (RTTI)

ESP-IDF 默认禁用对 RTTI 的支持,可以用 CONFIG_COMPILER_CXX_RTTI 选项启用该支持。

启用此选项,将以启用了 RTTI 支持的方式编译所有的 C++ 文件,并支持使用 dynamic_cast 转换和 typeid 运算符。启用此选项通常会增加几十 KB 的二进制文件大小。

有关在 ESP-IDF 中使用 RTTI 的示例,请参阅 cxx/rtti。该示例演示了如何在 ESP-IDF 中使用 RTTI 功能,启用编译时对 RTTI 的支持,并展示了如何打印对象和函数的去混淆类型名称,以及 dynamic_cast 在两个继承自同一基类的对象上如何表现。

在 C++ 中进行开发

以下部分提供了在 C++ 中开发 ESP-IDF 应用程序的一些技巧。

组合 C 和 C++ 代码

当应用程序的不同部分使用 C 和 C++ 开发时,理解 语言链接性 的概念非常重要。

为了能够从 C 代码中调用 C++ 函数,该 C++ 函数必须使用 C 链接 (extern "C") 进行 声明定义

// 在 .h 文件中声明:
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

void my_cpp_func(void);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

// 在 .cpp 文件中进行定义:
extern "C" void my_cpp_func(void) {
    // ...
}

为了能够从 C++ 中调用 C 函数,该 C 函数必须使用 C 链接 声明

// 在 .h 文件中声明:
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

void my_c_func(void);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

// 在 .c 文件中进行定义:
void my_c_func(void) {
    // ...
}

在 C++ 中定义 app_main

ESP-IDF 希望应用程序入口点 app_main 以 C 链接定义。当 app_main 在 .cpp 源文件中定义时,必须以 extern "C" 标识:

extern "C" void app_main()
{
}

指定初始化器

许多 ESP-IDF 组件会以 配置结构体 作为初始化函数的参数。用 C 编写的 ESP-IDF 示例通常使用 指定初始化器,以可读且可维护的方式填充有关结构体。

C 和 C++ 语言对于指定初始化器有不同的规则。例如,C++23(当前在 ESP-IDF 中默认使用)不支持无序指定初始化、嵌套指定初始化、混合使用指定初始化器和常规初始化器,而对数组进行指定初始化。因此,当将 ESP-IDF 的 C 示例移植到 C++ 时,可能需要对结构体初始化器进行一些更改。详细信息请参阅 C++ aggregate initialization reference

iostream

ESP-IDF 支持 iostream 功能,但应注意:

  1. ESP-IDF 在构建过程中通常会删除未使用的代码。然而,在使用 iostreams 的情况下,仅在其中一个源文件包含 <iostream> 头文件就会使二进制文件增加大约 200 kB。

  2. ESP-IDF 默认使用简单的非阻塞机制来处理标准输入流 (stdin)。要获得 std::cin 的常规行为,应用程序必须初始化 UART 驱动程序,并启用阻塞模式,详情请参阅 common_components/protocol_examples_common/stdin_out.c

限制

  • 链接脚本生成器不支持将具有 C++ 链接的函数单独放置在内存的特定位置。

  • 当与模板函数一起使用时,会忽略各种节属性(例如 IRAM_ATTR)。

  • vtable 位于 flash 中,在禁用 flash 缓存时无法访问。因此,在 IRAM 安全中断处理程序 中应避免调用虚拟函数。目前尚无法使用链接器脚本生成器调整 vtable 的放置位置。

  • 不支持 C++ 文件系统 (std::filesystem) 功能。

注意事项

请勿在 C++ 中使用 setjmp/longjmplongjmp 会在不调用任何析构函数的情况下盲目跳出堆栈,容易引起未定义的行为和内存泄漏。请改用 C++ 异常处理,这类程序可以确保正确调用析构函数。如果无法使用 C++ 异常处理,请使用其他替代方案( setjmp/longjmp 除外),如简单的返回码。

应用示例

  • cxx/pthread

  • cxx/exceptions 演示了如何在 ESP32-H2 中启用和使用 C++ 异常。该示例声明了一个类,当提供的参数等于 0 时,这个类会在构造函数中抛出异常。

  • cxx/rtti


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