Константы: #define против const против constexpr

Первая версия моего светофора жила на #define — как во всех примерах из сети: #define ZELENOE 4000, #define MIG 250. Промах вскрылся, когда я захотел утроенный жёлтый: написал MIG * 3 и ожидал 750 мс, а получил 1000. Подстановка превращает MIG * 3 в 250 + 250 * 3, приоритет умножения делает своё дело — и лишние 250 мс жёлтый честно отгорает. Препроцессор не компилирует: он переписывает текст до компилятора, и ни типов, ни скобок, ни проверок в его мире нет.

Здесь разложим по полкам четыре инструмента именованных значений: #define, const, constexpr и enum. Покажу, где константа живёт на AVR — во flash или в RAM, — почему компилятор часто выкидывает const из памяти вовсе, и как enum ловит опечатки в состояниях ещё при сборке. Финал — таблица-шпаргалка и светофор, у которого длительности, состояния и имена собраны на const и constexpr. Основы автоматов на именованных состояниях уже расписаны в уроке про светофор — здесь речь про то, чем каждое число объявлено.

#define MIG 250 — договорённость препроцессора: каждое вхождение слова MIG заменяется литералом 250. Типа нет, области видимости нет: имя действует от строки объявления до конца файла, и компилятор его не видит — в сообщении о несовместимости будет 250, а не MIG. Отсюда два правила. Первое: любое выражение в макросе — только в скобках, #define MIG (250+250), иначе приоритет операций рассыпает его, как в моей мигалке. Второе: макросы с аргументами вида #define KVAD(x) x*x на скетчах лучше не заводить — KVAD(2+3) разворачивается в 2+3*2+3, и лечится это лишь скобками вокруг каждой буквы, после которых проще написать обычную функцию.

Зато у #define есть ниша, где он до сих пор безальтернативен: условная компиляция. #ifdef ARDUINO_AVR_UNO под разные платы, #include-гарды в библиотеках, выбор пинов под железо — всё это препроцессорная песочница, и const её не заменит. И сама по себе привычка миллионов примеров с #define PIN_LED 12 не вредна: для одиночного числа макрос и const в работе неотличимы. Разница вскрывается на первом же выражении без скобок, первом конфликте имён с библиотекой — макрос не уважает пространства имён — и первом непонятном сообщении сборки, где вместо вашего имени красуется развёрнутый текст.

Разбор листинга. enum Faza — тип из трёх имён с нумерацией от нуля; переменная faza хранит обычное число, но опечатка ZELANUY вместо ZELENYI валит сборку: неизвестное имя. С int-константами та же промашка прошла бы незаметно — три тоже число. Длительности — const unsigned long: тип на месте, компилятор проверяет каждый присвоенный литерал, а заодно и то, что вы не передадите туда отрицательное. Обращение Dlit[faza] выбирает длительность текущей фазы — таблица и состояния живут одной жизнью.

Про литералы, потому что тип константы виден именно в них. 4000 влезает в знаковый int с запасом до 32767, а 60000 — уже нет: без суффикса UL компилятор честно предупредит о переполнении, а кое-какие старые версии ядра — молча усекут. Системы счисления литералов — 0x1F, 0b1010 и обычный десятичный — разобраны в уроке про bin, hex и dec; для битов регистров там же пригодится запись 0b. Мой практический приём: у всех таймерных констант суффикс UL по умолчанию — unsigned long под millis() и его переполнение на 49,7 сутки разобраны в отдельном уроке, и суффикс снимает целый класс молчаливых усечений ещё до сборки.

constexpr int VSEGO_FAZ = 3 — самый молодой инструмент тройки: constexpr требует вычислить значение при сборке, и массив получает честный константный размер, а не число-литерал, вписанное в двух местах. Услуга оказалась взаимной: поменяете таблицу фаз — constexpr-счётчик... точнее, размеры массивов — останется согласован. Разницу с const легко запомнить так: const обещает не менять значение после инициализации, constexpr обещает знать его до прошивки платы.

constexpr пришёл в C++11, и AVR-ядро Arduino IDE с версии 1.6.6 собирает скетчи с ключом -std=gnu++11 — на любой свежей IDE он доступен без плясок. На плате он бесплатен: значение вычисляется компилятором и вшивается в команды, ни такта, ни байта на само вычисление не тратится. Мой ходовой приём — constexpr-функция пересчёта единиц: msSek(4) вместо 4000 читается быстрее, чем magic-число, а на скорость не влияет. Единицы секунд в длительностях и размеры таблиц — территория constexpr; всё, что должно быть известно до прошивки, — тоже.

Границы у constexpr честные: initializer должен вычисляться при сборке, переменная с него не меняется вовсе, и список значений для массивов — только литералы и другие constexpr. Это не беда, а дисциплина: если значение вдруг должно перестраиваться на ходу, оно не константа, и прятать его за constexpr не нужно.

Мой маркер выбора простой. Значение настраивается при прошивке и не меняется на ходу — constexpr: длительности, размеры, пересчёт единиц. Значение читается из настроек или датчика — const, и точка. Имя состояния — enum. Макрос остаётся для условной компиляции и ничего больше. По этой раскладке в моих скетчах #define встречается один-два раза на файл — и каждый раз это #ifdef под плату, а не константа.

На AVR глобальная const-переменная без оговорок — это RAM: ядро копирует инициализированные значения из flash при старте, как обычные глобальные. Но маленькую const с известным значением, адрес которой никто не берёт, компилятор выбрасывает из памяти и вшивает число прямо в команды — immediate. const int LED = 12 из листинга выше не занимает ни байта RAM: значение известно при сборке, адреса нет. Проверка на материализацию простая: возьмите адрес — const int* p = &LED; — и ячейка немедленно появится в RAM, потому что на адрес нужно что-то указывать.

Массив Imena из трёх указателей — уже материал: сами указатели (по два байта) и строковые литералы под ними на AVR живут в RAM, и это честные два-три десятка байт. Для гарантированного flash большие таблицы и строки переносят в PROGMEM — приёмы и подводные камни чтения разобраны в уроке про PROGMEM. Бюджет RAM после подключения таблиц проверяйте freeRam из урока про утечки — константы почти никогда не виноваты в его падении, в отличие от строк и Serial-логов.

И не путайте const-локальные с глобальными: константа внутри функции существует только во время её работы и компилятор вообще кладёт её в регистр или стек. Глобальная const — про всю жизнь скетча от reset() до отключения питания. Разница заметна в сообщениях сборки и в том, откуда константу видно: локальную не увидит соседняя функция, и это хорошо — чем уже область видимости, тем меньше шансов, что её тронут чужой правкой.