C++20 Ranges 在嵌入式系统中大放异彩？数据流与传感器应用的深度解析

2025/5/1 02:43:51 68 0 0 0

嵌入式系统的数据处理痛点

C++20 Ranges 简介

Ranges 在嵌入式系统中的优势

Ranges 在嵌入式系统中的挑战

嵌入式系统中的 Ranges 应用场景

如何在嵌入式系统中有效使用 Ranges

案例分析：使用 Ranges 处理 MEMS 传感器数据

总结与展望

在嵌入式系统的世界里，我们常常面临资源受限、实时性要求高等挑战。C++20 引入的 Ranges 库，仿佛一股清流，为我们处理数据流和传感器数据带来了新的可能性。但问题也随之而来：Ranges 真的能在资源紧张的嵌入式环境中发挥作用吗？它对代码的简洁性和性能又会产生怎样的影响？今天，我们就来一起深入探讨这个问题，看看 Ranges 在嵌入式领域的应用前景。

嵌入式系统的数据处理痛点

在深入 Ranges 之前，我们先来回顾一下嵌入式系统在数据处理方面的一些常见痛点：

内存限制：嵌入式设备的内存通常非常有限，我们需要尽可能地减少内存占用。
性能瓶颈：实时性是许多嵌入式应用的关键，任何性能瓶颈都可能导致严重的问题。
代码复杂性：嵌入式代码往往涉及复杂的硬件交互和算法，代码的可读性和可维护性至关重要。
功耗约束：对于电池供电的嵌入式设备，功耗是一个需要时刻关注的问题。

传统上，我们可能会使用循环、指针操作等方式来处理数据，但这些方法往往会导致代码冗长、难以理解，并且容易出错。那么，Ranges 能否帮助我们解决这些问题呢？

C++20 Ranges 简介

C++20 Ranges 库提供了一种新的方式来处理序列数据，它基于视图 (views) 和动作 (actions) 的概念，允许我们以一种声明式、函数式的方式来操作数据。简单来说，你可以把 Range 看作是一个数据的集合，而 View 则是一个对 Range 的转换或过滤操作。通过组合不同的 View，我们可以构建复杂的数据处理流水线。

例如，假设我们有一个包含传感器数据的数组，我们想要过滤掉无效的数据（例如，超出范围的值），并将剩余的数据进行缩放。使用 Ranges，我们可以这样实现：

 #include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <ranges>
 
int main() {
    std::vector<float> sensorData = {1.0f, 2.0f, -1.0f, 4.0f, 5.0f};
 
    auto filteredData = sensorData | std::views::filter([](float value) { return value >= 0; }) // 过滤掉负值
                                  | std::views::transform([](float value) { return value * 2; }); // 缩放数据
 
    for (float value : filteredData) {
        std::cout << value << " "; // 输出：2 4 8 10
    }
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}

这段代码使用了 std::views::filter 和 std::views::transform 两个 View，分别实现了数据过滤和转换的功能。通过 | 运算符，我们可以将这些 View 组合起来，形成一个数据处理流水线。这种方式不仅代码简洁，而且易于理解和维护。

Ranges 在嵌入式系统中的优势

那么，将 Ranges 应用于嵌入式系统，我们能获得哪些好处呢？

代码简洁性：Ranges 可以显著减少代码量，提高代码的可读性和可维护性。这对于资源有限的嵌入式系统来说尤为重要，因为更少的代码意味着更小的 flash 占用。
可组合性：通过组合不同的 View，我们可以构建复杂的数据处理流水线，而无需编写大量的循环和条件判断语句。这使得代码更加模块化，易于测试和重用。
延迟计算：Ranges 采用延迟计算 (lazy evaluation) 的方式，只有在真正需要数据时才会进行计算。这意味着我们可以避免不必要的计算，从而提高性能和降低功耗。例如，在上面的例子中，只有当我们遍历 filteredData 时，才会真正进行数据过滤和转换。
避免临时变量：Ranges 可以避免使用大量的临时变量，从而减少内存占用。在嵌入式系统中，内存是非常宝贵的资源，减少内存占用可以提高系统的稳定性和可靠性。

Ranges 在嵌入式系统中的挑战

当然，Ranges 也并非完美无缺，在嵌入式系统中应用 Ranges 也会面临一些挑战：

编译时开销：Ranges 使用了大量的模板元编程技术，这可能会导致编译时间增加。对于大型项目，编译时间可能会成为一个问题。
运行时开销：虽然 Ranges 采用延迟计算的方式，但在某些情况下，过度使用 Ranges 可能会导致额外的运行时开销。例如，如果数据处理流水线过于复杂，可能会导致大量的函数调用和虚函数调用，从而降低性能。
调试难度：由于 Ranges 的延迟计算特性，调试 Ranges 代码可能会比较困难。我们需要仔细分析数据处理流水线的每一步，才能找到问题所在。
标准库支持：并非所有的嵌入式 C++ 标准库都完全支持 C++20 Ranges。在使用 Ranges 之前，我们需要确认目标平台是否提供了足够的支持。

嵌入式系统中的 Ranges 应用场景

尽管存在一些挑战，但 Ranges 在嵌入式系统中仍然有许多有价值的应用场景：

传感器数据处理：如上面的例子所示，Ranges 可以用于过滤、转换和分析传感器数据。例如，我们可以使用 Ranges 来平滑传感器噪声、校准传感器数据、提取特征等。
数据流处理：在许多嵌入式应用中，我们需要处理连续的数据流，例如音频流、视频流、网络数据流等。Ranges 可以帮助我们构建高效的数据处理流水线，从而实现实时数据处理。
配置数据解析：嵌入式系统通常需要从配置文件中读取配置数据。Ranges 可以用于解析配置文件，并将配置数据转换为程序可用的格式。
状态机实现：状态机是嵌入式系统中常用的编程模型。Ranges 可以用于实现状态机的状态转换逻辑，从而简化代码并提高可读性。

如何在嵌入式系统中有效使用 Ranges

为了在嵌入式系统中充分利用 Ranges 的优势，并避免其潜在的缺点，我们需要遵循一些最佳实践：

谨慎使用：不要过度使用 Ranges。在某些情况下，传统的循环和指针操作可能更加高效。我们需要根据实际情况选择最合适的方案。
避免复杂的流水线：尽量保持数据处理流水线的简洁。过多的 View 组合可能会导致性能下降和调试困难。
使用编译器优化：开启编译器的优化选项，例如 -O2 或 -O3，可以帮助编译器更好地优化 Ranges 代码。
进行性能测试：在使用 Ranges 之前，务必进行性能测试，以确保其满足系统的实时性要求。
熟悉 Ranges 库：深入了解 Ranges 库的各种 View 和 Action 的特性，可以帮助我们更好地利用 Ranges 解决实际问题。
自定义 View：如果标准库提供的 View 无法满足需求，我们可以自定义 View。自定义 View 可以让我们更好地控制数据处理过程，并提高性能。

案例分析：使用 Ranges 处理 MEMS 传感器数据

为了更具体地说明 Ranges 在嵌入式系统中的应用，我们来看一个使用 Ranges 处理 MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) 传感器数据的案例。假设我们有一个 MEMS 加速度计，它以 100Hz 的频率输出三轴加速度数据。我们需要对这些数据进行滤波，并计算设备的倾斜角度。

首先，我们定义一个结构体来表示加速度数据：

 struct AccelerationData {
    float x;
    float y;
    float z;
};

然后，我们定义一个函数来读取加速度计的数据：

 AccelerationData readAccelerometerData() {
    // 模拟读取加速度计数据
    AccelerationData data;
    data.x = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f; // 范围：-1.0 ~ 1.0
    data.y = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f;
    data.z = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f;
    return data;
}

接下来，我们使用 Ranges 来实现数据滤波和倾斜角度计算。为了简化代码，我们使用一个简单的移动平均滤波器：

 #include <numeric>
 
// 自定义 View：移动平均滤波器
class MovingAverageView : public std::ranges::view_interface<MovingAverageView> {
private:
    std::ranges::input_range auto& base_;
    int windowSize_;
 
public:
    MovingAverageView(std::ranges::input_range auto& base, int windowSize) : base_(base), windowSize_(windowSize) {}
 
    std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto> operator[](size_t n) const {
        // 计算移动平均值
        auto start = std::next(std::ranges::begin(base_), std::max((size_t)0, n - windowSize_ + 1));
        auto end = std::next(std::ranges::begin(base_), n + 1);
        auto count = std::distance(start, end);
        
        float sum = std::accumulate(start, end, 0.0f);
        return sum / count;
    }
 
    size_t size() const {
        return std::ranges::size(base_);
    }
 
    std::ranges::range_reference_t<std::ranges::input_range auto> front() const {
        return base_.front();
    }
 
    std::ranges::range_reference_t<std::ranges::input_range auto> back() const {
        return base_.back();
    }
 
    bool empty() const {
        return std::ranges::empty(base_);
    }
 
    auto begin() const {
       class iterator {
        private:
            const MovingAverageView* parent_;
            size_t index_;
 
        public:
            using iterator_category = std::random_access_iterator_tag;
            using value_type = std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto>;
            using difference_type = std::ptrdiff_t;
            using pointer = const value_type*;
            using reference = value_type;
 
            iterator(const MovingAverageView* parent, size_t index) : parent_(parent), index_(index) {}
 
            reference operator*() const {
                return parent_->operator[](index_);
            }
 
            iterator& operator++() {
                ++index_;
                return *this;
            }
 
            iterator operator++(int) {
                iterator temp = *this;
                ++index_;
                return temp;
            }
 
            iterator& operator--() {
                --index_;
                return *this;
            }
 
            iterator operator--(int) {
                iterator temp = *this;
                --index_;
                return temp;
            }
 
            bool operator==(const iterator& other) const {
                return parent_ == other.parent_ && index_ == other.index_;
            }
 
            bool operator!=(const iterator& other) const {
                return !(*this == other);
            }
 
            difference_type operator-(const iterator& other) const {
                return index_ - other.index_;
            }
 
            iterator operator+(difference_type n) const {
                return iterator(parent_, index_ + n);
            }
 
            iterator operator-(difference_type n) const {
                return iterator(parent_, index_ - n);
            }
 
            reference operator[](difference_type n) const {
                return parent_->operator[](index_ + n);
            }
        };
 
        return iterator(this, 0);
    }
 
    auto end() const {
        class iterator {
        private:
            const MovingAverageView* parent_;
            size_t index_;
 
        public:
            using iterator_category = std::random_access_iterator_tag;
            using value_type = std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto>;
            using difference_type = std::ptrdiff_t;
            using pointer = const value_type*;
            using reference = value_type;
 
            iterator(const MovingAverageView* parent, size_t index) : parent_(parent), index_(index) {}
 
            reference operator*() const {
                // This should never be called, but is required for the iterator interface
                throw std::out_of_range("Dereferencing end iterator");
            }
 
            iterator& operator++() {
                ++index_;
                return *this;
            }
 
            iterator operator++(int) {
                iterator temp = *this;
                ++index_;
                return temp;
            }
 
            iterator& operator--() {
                --index_;
                return *this;
            }
 
            iterator operator--(int) {
                iterator temp = *this;
                --index_;
                return temp;
            }
 
            bool operator==(const iterator& other) const {
                return parent_ == other.parent_ && index_ == other.index_;
            }
 
            bool operator!=(const iterator& other) const {
                return !(*this == other);
            }
 
            difference_type operator-(const iterator& other) const {
                return index_ - other.index_;
            }
 
            iterator operator+(difference_type n) const {
                return iterator(parent_, index_ + n);
            }
 
            iterator operator-(difference_type n) const {
                return iterator(parent_, index_ - n);
            }
 
            reference operator[](difference_type n) const {
                throw std::out_of_range("Dereferencing end iterator");
            }
        };
        return iterator(this, size());
    }
};
 
template <std::ranges::input_range Range>
MovingAverageView make_moving_average_view(Range&& range, int windowSize) {
    return MovingAverageView{std::forward<Range>(range), windowSize};
}
 
// 计算倾斜角度
double calculate倾斜角度(float x, float y, float z) {
    double roll = atan2(y, z) * 180 / M_PI;
    double pitch = atan2(-x, sqrt(y * y + z * z)) * 180 / M_PI;
    return pitch; // 这里只返回俯仰角，可以根据需要计算其他角度
}
 
int main() {
    const int sampleCount = 100;
    std::vector<AccelerationData> rawData(sampleCount);
    std::vector<float> pitchAngles(sampleCount);
 
    // 模拟读取加速度计数据
    std::generate(rawData.begin(), rawData.end(), readAccelerometerData);
 
    // 使用 Ranges 进行数据处理
    auto filteredX = rawData | std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.x; }) | make_moving_average_view(5);
    auto filteredY = rawData | std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.y; }) | make_moving_average_view(5);
    auto filteredZ = rawData | std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.z; }) | make_moving_average_view(5);
 
    std::transform(std::execution::par, filteredX.begin(), filteredX.end(), filteredY.begin(), filteredZ.begin(), pitchAngles.begin(), calculate倾斜角度);
 
    // 输出结果
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::cout << "Pitch Angle: " << pitchAngles[i] << " degrees" << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

这段代码首先定义了一个 MovingAverageView，它实现了移动平均滤波的功能。然后，我们使用 std::views::transform 将加速度计数据转换为 x、y、z 三个轴的加速度值，并分别对它们进行滤波。最后，我们使用 std::transform 和 calculate倾斜角度 函数计算设备的倾斜角度。通过 Ranges，我们可以将复杂的数据处理过程分解为一系列简单的 View 和 Action，从而简化代码并提高可读性。

总结与展望

C++20 Ranges 为嵌入式系统中的数据处理带来了新的思路和方法。虽然 Ranges 并非适用于所有场景，但只要我们谨慎使用，并充分了解其特性，就能在代码简洁性、可组合性和性能方面获得显著的提升。随着 C++20 的普及和嵌入式 C++ 标准库的不断完善，Ranges 将在嵌入式领域发挥越来越重要的作用。

未来，我们可以期待更多的嵌入式开发工具和库能够更好地支持 Ranges，从而进一步简化嵌入式系统的开发过程。同时，我们也需要不断探索 Ranges 在嵌入式领域的新应用场景，例如，使用 Ranges 来实现更复杂的信号处理算法、更高效的数据压缩算法等。

总而言之，C++20 Ranges 为嵌入式开发人员提供了一个强大的工具，只要我们善于利用，就能构建更加高效、可靠和易于维护的嵌入式系统。

嵌入式老油条 C++20 嵌入式系统 Ranges

	#include <iostream>
	#include <vector>
	#include <algorithm>
	#include <ranges>

	int main() {
	std::vector<float> sensorData = {1.0f, 2.0f, -1.0f, 4.0f, 5.0f};

	auto filteredData = sensorData \| std::views::filter([](float value) { return value >= 0; }) // 过滤掉负值
	\| std::views::transform([](float value) { return value * 2; }); // 缩放数据

	for (float value : filteredData) {
	std::cout << value << " "; // 输出：2 4 8 10
	}
	std::cout << std::endl;

	return 0;
	}

	AccelerationData readAccelerometerData() {
	// 模拟读取加速度计数据
	AccelerationData data;
	data.x = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f; // 范围：-1.0 ~ 1.0
	data.y = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f;
	data.z = (float)(rand() % 200 - 100) / 100.0f;
	return data;
	}

	#include <numeric>

	// 自定义 View：移动平均滤波器
	class MovingAverageView : public std::ranges::view_interface<MovingAverageView> {
	private:
	std::ranges::input_range auto& base_;
	int windowSize_;

	public:
	MovingAverageView(std::ranges::input_range auto& base, int windowSize) : base_(base), windowSize_(windowSize) {}

	std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto> operator[](size_t n) const {
	// 计算移动平均值
	auto start = std::next(std::ranges::begin(base_), std::max((size_t)0, n - windowSize_ + 1));
	auto end = std::next(std::ranges::begin(base_), n + 1);
	auto count = std::distance(start, end);

	float sum = std::accumulate(start, end, 0.0f);
	return sum / count;
	}

	size_t size() const {
	return std::ranges::size(base_);
	}

	std::ranges::range_reference_t<std::ranges::input_range auto> front() const {
	return base_.front();
	}

	std::ranges::range_reference_t<std::ranges::input_range auto> back() const {
	return base_.back();
	}

	bool empty() const {
	return std::ranges::empty(base_);
	}

	auto begin() const {
	class iterator {
	private:
	const MovingAverageView* parent_;
	size_t index_;

	public:
	using iterator_category = std::random_access_iterator_tag;
	using value_type = std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto>;
	using difference_type = std::ptrdiff_t;
	using pointer = const value_type*;
	using reference = value_type;

	iterator(const MovingAverageView* parent, size_t index) : parent_(parent), index_(index) {}

	reference operator*() const {
	return parent_->operator[](index_);
	}

	iterator& operator++() {
	++index_;
	return *this;
	}

	iterator operator++(int) {
	iterator temp = *this;
	++index_;
	return temp;
	}

	iterator& operator--() {
	--index_;
	return *this;
	}

	iterator operator--(int) {
	iterator temp = *this;
	--index_;
	return temp;
	}

	bool operator==(const iterator& other) const {
	return parent_ == other.parent_ && index_ == other.index_;
	}

	bool operator!=(const iterator& other) const {
	return !(*this == other);
	}

	difference_type operator-(const iterator& other) const {
	return index_ - other.index_;
	}

	iterator operator+(difference_type n) const {
	return iterator(parent_, index_ + n);
	}

	iterator operator-(difference_type n) const {
	return iterator(parent_, index_ - n);
	}

	reference operator[](difference_type n) const {
	return parent_->operator[](index_ + n);
	}
	};

	return iterator(this, 0);
	}

	auto end() const {
	class iterator {
	private:
	const MovingAverageView* parent_;
	size_t index_;

	public:
	using iterator_category = std::random_access_iterator_tag;
	using value_type = std::ranges::range_value_t<std::ranges::input_range auto>;
	using difference_type = std::ptrdiff_t;
	using pointer = const value_type*;
	using reference = value_type;

	iterator(const MovingAverageView* parent, size_t index) : parent_(parent), index_(index) {}

	reference operator*() const {
	// This should never be called, but is required for the iterator interface
	throw std::out_of_range("Dereferencing end iterator");
	}

	iterator& operator++() {
	++index_;
	return *this;
	}

	iterator operator++(int) {
	iterator temp = *this;
	++index_;
	return temp;
	}

	iterator& operator--() {
	--index_;
	return *this;
	}

	iterator operator--(int) {
	iterator temp = *this;
	--index_;
	return temp;
	}

	bool operator==(const iterator& other) const {
	return parent_ == other.parent_ && index_ == other.index_;
	}

	bool operator!=(const iterator& other) const {
	return !(*this == other);
	}

	difference_type operator-(const iterator& other) const {
	return index_ - other.index_;
	}

	iterator operator+(difference_type n) const {
	return iterator(parent_, index_ + n);
	}

	iterator operator-(difference_type n) const {
	return iterator(parent_, index_ - n);
	}

	reference operator[](difference_type n) const {
	throw std::out_of_range("Dereferencing end iterator");
	}
	};
	return iterator(this, size());
	}
	};

	template <std::ranges::input_range Range>
	MovingAverageView make_moving_average_view(Range&& range, int windowSize) {
	return MovingAverageView{std::forward<Range>(range), windowSize};
	}

	// 计算倾斜角度
	double calculate倾斜角度(float x, float y, float z) {
	double roll = atan2(y, z) * 180 / M_PI;
	double pitch = atan2(-x, sqrt(y * y + z * z)) * 180 / M_PI;
	return pitch; // 这里只返回俯仰角，可以根据需要计算其他角度
	}

	int main() {
	const int sampleCount = 100;
	std::vector<AccelerationData> rawData(sampleCount);
	std::vector<float> pitchAngles(sampleCount);

	// 模拟读取加速度计数据
	std::generate(rawData.begin(), rawData.end(), readAccelerometerData);

	// 使用 Ranges 进行数据处理
	auto filteredX = rawData \| std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.x; }) \| make_moving_average_view(5);
	auto filteredY = rawData \| std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.y; }) \| make_moving_average_view(5);
	auto filteredZ = rawData \| std::views::transform([](const AccelerationData& data) { return data.z; }) \| make_moving_average_view(5);

	std::transform(std::execution::par, filteredX.begin(), filteredX.end(), filteredY.begin(), filteredZ.begin(), pitchAngles.begin(), calculate倾斜角度);

	// 输出结果
	for (int i = 0; i < 10; ++i) {
	std::cout << "Pitch Angle: " << pitchAngles[i] << " degrees" << std::endl;
	}

	return 0;
	}

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C++20 Ranges 简介

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Ranges 在嵌入式系统中的挑战

嵌入式系统中的 Ranges 应用场景

如何在嵌入式系统中有效使用 Ranges

案例分析：使用 Ranges 处理 MEMS 传感器数据

总结与展望

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