Design-Pattern

设计模式、分层架构、可扩展性在桌面/服务器领域是最佳实践, 但搬到资源受限的 MCU 上时, 每个抽象层都有可量化的代价。本文通过一次信号处理 pipeline 重构的量化分析, 提炼出三个典型的过度设计模式 (为不存在的动态性付费、凭直觉拆锁、为假想需求预留架构), 并给出四维评估框架 (RAM/ROM/CPU/栈) 和轻量替代方案。

PIMPL 是 C++ 中最经典的编译隔离手段，但教科书只展示了 unique_ptr 一种实现。本文对比三种 C++14 兼容的 PIMPL 实现 – Heap PIMPL、Fast PIMPL (栈内联)、函数指针表 PIMPL – 从编译隔离、运行时成本、缓存友好性三个维度量化分析，给出不同场景的选型依据。

传统设计模式依赖虚函数和动态分配，在嵌入式系统中代价过高。本文基于 newosp 库的真实代码，展示 8 种编译期设计模式的实现：类型擦除替代 std::function、ScopeGuard 替代虚析构、if constexpr 编译期分发、Tag Dispatch 构造控制、强类型包装、Pub/Sub 零堆回调、Visitor 直接分发、以及 CRTP 编译期 Handler 绑定。所有模式在 -fno-exceptions -fno-rtti 下可用，热路径零堆分配。

在没有面向对象语法的 C 语言中，策略模式和状态模式都通过函数指针表 (vtable) 模拟多态，代码结构几乎一致。本文从设计意图出发，用通用示例 (传感器滤波、通信协议状态机) 剖析二者的本质差异，并展示它们在同一系统中的协作方式。

以 state_machine 框架的重构为案例，展示如何将一个过程驱动的 C 语言状态机改造为数据驱动的层次状态机 (HSM)。涵盖转换表替代 switch-case、LCA 算法消除递归、用户缓冲区替代内部分配、守卫条件与内外转换区分等关键改造点，附完整数据结构和 API 设计。