Введение

Зачем всё это нужно?

Когда чайник, уперевшись в необходимость отойти от простой последовательности действий, задаёт на хабре вопрос типа "как сделать вот это?", ему с вероятностью 70% отвечают "погугли конечные автоматы" и 30% "используй finite state machine" в зависимости от страны работодателя профессионала. На следующий вопрос "а как?" отправляют в гугл. Идёт такой чайник, что только закончил мигать светодиодом и вытер пот со лба, что учил в школе немецкий и всю жизнь работал бульдозеристом в этот гугл и видит там статьи типа Википедия про конечные автоматы с формулами и в которых понятны только предлоги.

Так как я тоже чайник, но до бульдозера работал программистом 30 лет назад, наступив на множество граблей по мере освоения программирования микроконтроллеров, решил написать эту статью простым языком для начинающих.

Здравствуйте! Меня зовут Александр, я работаю инженером-программистом микроконтроллеров.

Пишу на С/С++, причем предпочитаю плюсы, ибо верую в их эволюционную неизбежность в embedded.

Мир встроенного ПО, язык С++ динамично развиваются, поэтому разработчикам важно не отставать и поддерживать свои скиллы и наработки актуальными моменту.

Я стараюсь следовать этому очевидному посылу, благо небожители ведущие С++ программисты и консультанты щедро делятся своим опытом и идеями на разных площадках (например здесь, или здесь).

Некоторое время назад я посмотрел мощный доклад Сергея Федорова про построение конечного автомата с таблицей переходов на шаблонах.

constexpr - одно из самых магических ключевых слов в современном C++. Оно дает возможность создать код, который будет выполнен еще до окончания процесса компиляции, что является абсолютным пределом для быстродействия программ.

У constexpr с каждым годом становится больше возможностей. Сейчас использовать в compile-time вычислениях можно почти всю стандартную библиотеку. Пример вычисления числа до 1000 с наибольшим количеством делителей: ссылка на код.

История constexpr насчитывает долгую историю эволюции с ранних версий C++. Исследуя предложения в стандарт и исходники компиляторов, можно понять, как слой за слоем создавалась эта часть языка, почему именно так она выглядит, как на практике вычисляются constexpr-выражения, какие возможности ждут нас в будущем, а какие - могли бы быть, но не были приняты в Стандарт.

Эта статья подходит как тем, кто еще не знает, что такое constexpr, так и тем, кто уже долгое время его использует.

Недавно zerocost написал интересную статью «Тесты на C++ без макросов и динамической памяти», в которой рассматривается минималистический фреймворк для тестирования Си++ кода. Автору (почти) удалось избежать использования макросов для регистрации тестов, однако вместо них в коде появились «волшебные» шаблоны, которые лично мне кажутся, простите, невообразимо уродскими. После прочтения статьи у меня оставалось смутное чувство неудовлетворённости, так как я знал, что можно сделать лучше. Я сразу не смог вспомнить где, но я точно видел код тестов, который не содержит ни единого лишнего символа для их регистрации:

void test_object_addition()
{
    ensure_equals("2 + 2 = ?", 2 + 2, 4);
}

Наконец-то я вспомнил, что этот фреймворк называется Cutter и он использует по-своему гениальный способ идентификации тестовых функций.

Многие популярные библиотеки для тестирования, например Google Test, Catch2, Boost.Test тяжело завязаны на использование макросов, так что в качестве примера тестов на этих библиотеках вы обычно увидите картину вроде такой:

namespace {

// Tests the default c'tor.
TEST(MyString, DefaultConstructor) {
  const MyString s;
  EXPECT_STREQ(nullptr, s.c_string());
  EXPECT_EQ(0u, s.Length());
}

const char kHelloString[] = "Hello, world!";

// Tests the c'tor that accepts a C string.
TEST(MyString, ConstructorFromCString) {
  const MyString s(kHelloString);
  EXPECT_EQ(0, strcmp(s.c_string(), kHelloString));
  EXPECT_EQ(sizeof(kHelloString)/sizeof(kHelloString[0]) - 1,
            s.Length());
}

// Tests the copy c'tor.
TEST(MyString, CopyConstructor) {
  const MyString s1(kHelloString);
  const MyString s2 = s1;
  EXPECT_EQ(0, strcmp(s2.c_string(), kHelloString));
}
}  // namespace

К макросам в C++ отношение настороженное, почему же они так процветают в библиотеках для создания тестов?

Введение

• Автоматическое определение типа возвращаемого значения для обычных функций
• Обобщенная инициализация захваченных переменных лямбд с поддержкой захвата-по-перемещению
• Обобщенные (полиморфные) лямбда-выражения
• Упрощенные ограничения на создание constexpr функций
• Шаблоны переменных
• exchange
• make_unique
• Обособленные строки
• Пользовательские литералы для типов стандартной библиотеки
• optional
• shared_mutex и shared_lock
• dynarray

• Освобождение памяти определенного размера
• Одинарная кавычка, как цифровой разделитель
• Аттрибут [[deprecated]]
• Пользовательские литералы для std::complex
• Filesystem API
• Преобразование сетевого порядка байт

Пока писал эту сугубо техническую статью, Хабр успел превратиться в местное отделение ВОЗ и теперь мне даже стыдно ее публиковать… но в душе теплится надежда, что айтишники еще не разбежались и она найдет своего читателя. Или нет?

Меня всегда восхищала стандартная библиотека Си, да и сам Си — при всей своей минималистичности от них так и веет духом тех самых первых красноглазиков хакеров. В черновике первого официального стандарта (ANSI C, он же C89, он же ANS X3.159-1989, он же, позднее, C90 и IEC 9899:1990) определяется 145 функций и макросов, из них около 25 — это вариации (ввиду отсутствия в языке перегрузок), а 26 чисто математических. K&R во второй редакции² приводят 114 функций (плюс математические), считая остальные за экзотику. В черновике³ C11 функций уже 348, но больше сотни — математика, а еще штук 90 это «перегрузки». А теперь посмотрим на Boost, где одних только библиотек — 160. Чур меня…

И среди этой сотни-полутора функций всегда были: обработка сигналов, вариативные функции (которые до интерпретируемого PHP дошли 25 лет спустя, а в Delphi, бурно развивавшемся одно время, их нет до сих пор) и порядка 50 строковых функций вроде printf() (м-м-м… JavaScript), strftime() (…) и scanf() (дешевая альтернатива регуляркам).

А еще всегда были setjmp()/longjmp(), которые позволяют реализовать привычный по другим языкам механизм исключений, не выходя за рамки переносимого Си. Вот о них и поговорим — Quake World, стеки, регистры, ассемблеры и прочая матчасть, а вишенкой будет занятная статистика (спойлер: Visual Studio непостоянна, как мартовский заяц, а throw saneex.c в два раза быстрее всех).

• Организационные
  　Культура разработки performance-first
  　Бюджет скорости
  　Performance mantras
• Те, что можно использовать независимо от языка и его реализации
  　Смена языка или фреймворка
  　Смена алгоритма
  　Оптимизация алгоритма
  　Вынос инвариантов на уровень выше
  　Boolean short circuit
  　Досрочный выход из цикла
  　Предвычисление
• Для языков/фреймворков, в которых нет ленивых вычислений и приёма copy-on-write
  　Shortcut fusion
  　Ленивое вычисление
  　Copy-on-write
  　Оверинжиниринг
• Зависящие от железа
  　Разворачивание мелких циклов
  　Предсказание ветвлений (Branch prediction)
  　Доступ к памяти: направление итерации
  　Доступ к памяти: [i][j] vs [j][i]
• Для языков со сборкой мусора
  　Мутабельность
  　Zero memory allocation или GC-free
• Специфичные для JavaScript
  　Антипаттерн: накопление строк в массиве
  　Антипаттерн: Lodash _.defaults
  　Idle Until Urgent
  　Даунгрейд кода: ES6 → ES5
• Примеры из код-ревью

Существует класс приложений реального времени, для которых тяжело предсказать потребности в распределении памяти во время выполнения статически. В этот класс входят, например, встраиваемые реализации стеков некоторых коммуникационных протоколов, где поведение и распределение ресурсов определяется отчасти активностью других агентов в сети. Классический подход в таких случаях заключается в использовании блочных менеджеров памяти, выделяющих фрагменты фиксированного размера (как это сделано, например, в LwIP). Этот подход накладывает нежелательные функциональные и качественные ограничения на реализацию. В этой заметке я предлагаю точку зрения, что традиционные (не блочные) аллокаторы незаслуженно обделены вниманием разработчиков систем реального времени, делюсь соображениями по релевантным вопросам, жалуюсь на жизнь, и предлагаю улучшить положение дел.

(КДПВ – см. аннотацию к диаграмме в конце)

По ощущениям, 4К страницы памяти были с нам всегда, они воспринимаются как нечто совершенно естественное, аксиоматическое. В технике, где за любым числом стоит компромисс, это означает, что либо удалось нащупать объективный баланс, либо что число это находится в самом фундаменте и трогать его себе дороже, даже если изменения назрели.

Но, "для нас нет ничего святого"(С), попробуем выяснить почему именно 4К, изменится ли что-то если сделать 8К, 64К... Зачем вообще фиксировать конкретный размер, почему не сделать страницы произвольной (в пределах разумного) длины.