کتاب C++ in Embedded Systems

C++ یک زبان برنامه‌نویسی همه‌منظوره و چندالگویی است که از الگوهای برنامه‌نویسی رویه‌ای (procedural)، شی‌گرا (object-oriented) و تا حدودی تابعی (functional) پشتیبانی می‌کند. این زبان در ابتدا با نام “C با کلاس‌ها” شروع شد، اما به مرور زمان به یک زبان مدرن تبدیل شد که امکان نوشتن کدهای بسیار رسا را بدون فدا کردن عملکرد فراهم می‌کند. با این حال، C همچنان زبان غالب در توسعه سیستم‌های نهفته باقی مانده است، که عمدتاً به دلیل سادگی و منحنی یادگیری ملایم‌تر آن است.

اما سادگی C اغلب باعث می‌شود نوشتن سیستم‌های پیچیده بیش از حد طولانی شود و بار شناختی توسعه‌دهندگان را افزایش داده و کد را مستعد خطا کند. اینجاست که C++ برتری می‌یابد. با ویژگی‌هایی مانند برنامه‌نویسی جنریک (generic programming)، چندریختی زمان اجرا و زمان کامپایل (runtime and compile-time polymorphism)، محاسبات زمان کامپایل (compile-time computation)، و افزایش ایمنی نوع (type safety) و حافظه (memory safety)، C++ یک انتخاب عالی برای توسعه سیستم‌های نهفته است.

افسانه‌هایی درباره C++، مانند افزایش حجم کد (code bloat) و سربار زمان اجرا (runtime overhead)، هنوز به طور گسترده‌ای رواج دارند. کتاب C++ in Embedded Systems با رد این تصورات غلط و راهنمایی شما در مورد اصول اولیه C++ آغاز می‌شود. سپس تمرکز خود را به مفاهیم پیشرفته‌تر C++ مدرن معطوف کرده و آن‌ها را برای حل مشکلات واقعی در توسعه سیستم‌های نهفته به کار می‌برد.

هدف کتاب C++ in Embedded Systems این است که به شما نشان دهد چگونه می‌توان از C++ مدرن به طور مؤثر در سیستم‌های نهفته استفاده کرد، از طریق مثال‌های دقیق و با به کارگیری شیوه‌های خوب توسعه نرم‌افزار.

مخاطبان کتاب C++ in Embedded Systems

این کتاب برای توسعه‌دهندگان سیستم‌های نهفته‌ای است که عمدتاً از C در کارهای روزمره خود استفاده می‌کنند و مایلند C++ مدرن را کشف کنند. آشنایی جزئی با C++ انتظار می‌رود اما ضروری نیست، زیرا کتاب مفاهیم پایه C++ را نیز پوشش می‌دهد.

مباحث کتاب C++ in Embedded Systems

فصل ۱، رد تصورات غلط رایج درباره C++: این فصل به بررسی تصورات غلط رایج درباره C++ می‌پردازد و به طور سیستماتیک آن‌ها را رد می‌کند. همچنین بینشی در مورد تاریخچه C++ و اصل عدم سربار (zero-overhead principle) به دست خواهید آورد.

فصل ۲، چالش‌ها در سیستم‌های نهفته با منابع محدود: این فصل از کتاب C++ in Embedded Systems، به بررسی چالش‌های طراحی در سیستم‌های نهفته با منابع محدود می‌پردازد، با تمرکز بر تکنیک‌های پروفایل‌گیری (profiling) و مدیریت حافظه. همچنین نشان می‌دهد که چگونه از ویژگی‌های بالقوه مشکل‌ساز زبان مانند استثناها (exceptions) و RTTI اجتناب کنید.

فصل ۳، اکوسیستم C++ نهفته: این فصل ابزارهای موجود برای توسعه C++ در حوزه سیستم‌های نهفته، از جمله مجموعه‌های ابزار (toolchains)، تحلیل‌گرهای استاتیک (static analyzers)، ابزارهای پروفایل‌گیری و چارچوب‌های تست را بررسی می‌کند.

فصل ۴، راه‌اندازی محیط توسعه برای یک پروژه C++ نهفته: این فصل شما را از طریق راه‌اندازی یک محیط توسعه مدرن برای پروژه‌های C++ نهفته، از جمله استفاده از یک شبیه‌ساز برای تست کد خود در یک محیط مجازی، راهنمایی می‌کند.

فصل ۵، کلاس‌ها – بلوک‌های ساختمانی برنامه‌های C++: این فصل از کتاب C++ in Embedded Systems، شما را از طریق درک کلاس‌ها در C++، از جمله مدت زمان ذخیره‌سازی و مقداردهی اولیه، و وراثت (inheritance) و چندریختی پویا (dynamic polymorphism) راهنمایی می‌کند.

فصل ۶، فراتر از کلاس‌ها – مفاهیم بنیادی C++: این فصل ویژگی‌های بنیادی C++ مانند فضاهای نام (namespaces) و سربارگذاری توابع (function overloading) را پوشش می‌دهد. همچنین به قابلیت همکاری با C می‌پردازد و کانتینرهای (containers) کتابخانه استاندارد و الگوریتم‌ها (algorithms) را معرفی می‌کند.

فصل ۷، تقویت فریمور – روش‌های عملی مدیریت خطای C++: این فصل از کتاب C++ in Embedded Systems، به بررسی تکنیک‌های مختلف مدیریت خطا در C++، از جمله کدهای خطا، assert ها و هندلرهای سراسری می‌پردازد. همچنین مکانیک استثناها و نحوه عملکرد آن‌ها را توضیح می‌دهد.

فصل ۸، ساخت کد جنریک و قابل استفاده مجدد با الگوها (Templates): این فصل به بررسی الگوها و مفاهیم (concepts) می‌پردازد. همچنین مقدمه‌ای بر فرابرنامه‌نویسی الگو (template metaprogramming) و چندریختی زمان کامپایل ارائه می‌دهد.

فصل ۹، بهبود ایمنی نوع با انواع قوی (Strong Types): این فصل تبدیل‌های نوع ضمنی و صریح در C++ را مورد بحث قرار می‌دهد و مفهوم انواع قوی را معرفی می‌کند. یک مثال عملی از یک کتابخانه نهفته نشان می‌دهد که چگونه می‌توان ایمنی نوع را بهبود بخشید.

فصل ۱۰، نوشتن کد رسا با لامبداها (Lambdas): این فصل لامبداها را معرفی می‌کند و به شما نشان می‌دهد که چگونه از آن‌ها در یک الگوی طراحی دستور (command design pattern) برای پیاده‌سازی یک مدیر وقفه رسا استفاده کنید.

فصل ۱۱، محاسبات زمان کامپایل: این فصل قابلیت‌های محاسبات زمان کامپایل C++ را بررسی می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه از آن‌ها برای ساخت یک کتابخانه مولد سیگنال استفاده کنید که جداول جستجو (lookup tables) را در زمان کامپایل تولید می‌کند.

فصل ۱۲، نوشتن HAL در C++: این فصل پیاده‌سازی HAL (Hardware Abstraction Layer) در C++ را با استفاده از فرابرنامه‌نویسی الگو برای اطمینان از ایمنی نوع نشان می‌دهد.

فصل ۱۳، کار با کتابخانه‌های C: این فصل نشان می‌دهد که چگونه می‌توان از کتابخانه‌های C به طور مؤثر در پروژه‌های C++ استفاده کرد. اصل RAII (Resource Acquisition Is Initialization) را در مثالی از استفاده از یک کتابخانه C برای سیستم فایل نشان می‌دهد.

فصل ۱۴، بهبود حلقه فوق‌العاده (Super-Loop) با ترتیبی‌ساز (Sequencer): این فصل از کتاب C++ in Embedded Systems، نشان می‌دهد که چگونه می‌توان طراحی‌های ساده مبتنی بر حلقه فوق‌العاده را با استفاده از یک ترتیبی‌ساز بهبود بخشید. همچنین کتابخانه الگوهای نهفته (Embedded Template Library (ETL)) و کلاس‌های کانتینر آن را با اندازه‌های ثابت شناخته شده در زمان کامپایل معرفی می‌کند.

فصل ۱۵، الگوهای عملی – ساخت یک منتشرکننده دما (Temperature Publisher): این فصل شما را از طریق الگوی طراحی Observer راهنمایی می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه آن را در سیستم‌هایی مانند ترموستات‌ها و کنترل‌کننده‌های HVAC به کار ببرید.

فصل ۱۶، طراحی ماشین‌های حالت متناهی مقیاس‌پذیر: این فصل راه‌های مختلفی را برای پیاده‌سازی ماشین‌های حالت متناهی بررسی می‌کند. با رویکرد پایه enum-switch آغاز می‌شود، الگوی طراحی State را معرفی می‌کند و سپس کتابخانه Boost.SML را ارائه می‌دهد.

فصل ۱۷، کتابخانه‌ها و چارچوب‌ها: این فصل بخش‌هایی از کتابخانه الگوی استاندارد C++ را که برای توسعه فریمور در سیستم‌های محدود مفید هستند، برجسته می‌کند. همچنین کتابخانه‌های CIB و Pigweed را معرفی می‌کند.

فصل ۱۸، توسعه چندپلتفرمی: این فصل اهمیت طراحی خوب نرم‌افزار برای دستیابی به قابلیت حمل (portability) و تست‌پذیری (testability) در نرم‌افزار نهفته را مورد بحث قرار می‌دهد.