深入學習 C++ Lambda 與 ESP32 | 創建高效的 xTask 任務管理

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C++ Lambda 表達式是一種匿名函數，讓代碼更加簡潔且易於維護。它可以捕獲外部變量，使得回調函數的管理更加靈活。在嵌入式系統中，尤其適合事件驅動的設計，能夠減少冗餘代碼。
C++ Lambda

簡介

在現代嵌入式開發中，ESP32 作為強大的 Wi-Fi 和藍牙雙模晶片，以其低成本和靈活性成為開發者的熱門選擇。C++ 提供的 Lambda 表達式（匿名函數）可以顯著簡化代碼，特別是在事件驅動和任務管理上。本文將深入探討如何在 ESP32 上運用匿名函數與 FreeRTOS 的 xTask 管理，提高開發效率和代碼可讀性。

開發環境設置

1. 從官方網站安裝 Visual Studio Code。
2. 安裝 ESP-IDF 插件。

為 SPI Scan 項目設置 ESP32

1. In VS Code, press Ctrl (Cmd) + Shift + P, and enter ESP-IDF: New Project.

2. Choose a template project (e.g., blink example), set the project name (e.g., my_project), and choose a storage path.

3. The system will generate a new ESP-IDF project with a basic CMake file and example code.

檔案結構

my_project/
├── CMakeLists.txt     # 構建配置
├── main/
│   ├── CMakeLists.txt # 主組件的 CMake 配置
│   └── main.cpp       # 應用邏輯
└── sdkconfig          # 項目配置

C++ Lambda 表達式的優勢

匿名函數 (Lambda 表達式) 是一種可簡化回調函數的代碼結構，對事件驅動和異步邏輯的管理尤為有用。它的主要優勢包括：

主要優點
簡潔性：簡化代碼，減少回調函數定義的複雜性。

靈活性：允許捕獲外部變量，便於代碼管理。

高效性：減少函數重複定義，提高任務處理效率。

設置 C++ 標準

為了支持 C++ 11 或更高版本的特性（如 Lambda 表達式），需要在 ESP32 的 CMake 配置中設置 C++ 標準。可以在 CMakeLists.txt 文件中添加以下行來設置 C++14 標準：

set(CMAKE_CXX_STANDARD 14)

這將確保你可以使用現代 C++ 特性。

ESP32 與 FreeRTOS 的 xTask 管理

ESP32 搭載 FreeRTOS 實時操作系統（RTOS），提供了 xTask API，可輕鬆創建並管理多任務。我們將使用匿名函數來定義 ESP32 任務的行為，以簡化代碼結構並提升靈活性。

基本語法

[Capture List](Parameter List) -> Return Type {
    // Function body
}

1. Capture List: 指定該函數可以捕獲外部變量。

2. Parameter List: 定義函數的參數。

3. Return Type: 告知編譯器該函數的返回數據類型。
void app_main() {
    int x = 10;
    
    auto add = [x](int y) -> int {
        return x + y;  // Use the captured variable x
    };

    ESP_LOGI(TAG, "x + 5 = %d", add(5));  // Output: x + 5 = 15
}

使用匿名函數創建 ESP32 任務

以下是如何在 ESP32 上用匿名函數創建兩個週期性任務的範例：
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_log.h"

static const char *TAG = "Example";  // Tag for logging

// Wrapper function for Task 1
void task1Wrapper(void* param) {
    auto task1Code = [](void* param) -> int {  // Lambda that returns an int type
        while (true) {
            ESP_LOGI(TAG, "Task 1 is running...");  // Task 1 activity log
            vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);  // Task 1 runs every 1 second
        }
        return 0;  // Return value not used here
    };
    task1Code(param);  // Call the Lambda function
}

// Wrapper function for Task 2
void task2Wrapper(void* param) {
    auto task2Code = [](void* param) {  // Lambda with no return value
        while (true) {
            ESP_LOGI(TAG, "Task 2 is running...");  // Task 2 activity log
            vTaskDelay(1500 / portTICK_PERIOD_MS);  // Task 2 runs every 1.5 seconds
        }
    };
    task2Code(param);  // Call the Lambda function
}

extern "C" void app_main() {
    // Create Task 1 using task1Wrapper
    xTaskCreate(
        task1Wrapper,   // Pass task1Wrapper
        "Task1",        // Task name
        2048,           // Stack size
        nullptr,        // No parameters passed
        1,              // Task priority
        nullptr         // No task handle needed
    );

    // Create Task 2 using task2Wrapper
    xTaskCreate(
        task2Wrapper,   // Pass task2Wrapper
        "Task2",        // Task name
        2048,           // Stack size
        nullptr,        // No parameters passed
        1,              // Task priority
        nullptr         // No task handle needed
    );
}

代碼說明

1. task1Wrapper 和 task2Wrapper：這些函數是用來包裝內聯匿名函數的普通函數，以避免直接將匿名函數傳遞給 xTaskCreate。這樣做使得在 xTaskCreate 中使用匿名函數來創建任務變得更簡潔，提升了代碼結構的清晰度。

2. Lambda 表達式：每個任務都使用匿名函數來定義其行為。例如，task1Code 每秒執行一次，並記錄 "Task 1 is running..."，而 task2Code 則每 1.5 秒執行一次，並記錄 "Task 2 is running..."。

3. -> int 說明：在 task1Code 中的匿名函數定義中，-> int 表示該函數會返回一個 int 類型的數值。在這個範例中，該函數返回了 0，但 task1Wrapper 函數中並沒有使用這個返回值。如果匿名函數不需要返回任何值，可以省略 ->，或者將返回類型設為 void。例如，task2Code 就是一個沒有返回值的匿名函數，它省略了 -> int，默認使用 void 類型。

4. vTaskDelay：這是 FreeRTOS 提供的延遲函數，用於控制任務的執行頻率。這裡我們使用它來設定每個任務的執行週期。

編譯與燒錄

在 VSCode 視窗最下方中找到 "ESP32-IDF : Build, Flash and Monitor" ICON 執行和燒錄。

程式運行效果

運行程式後，您將在終端機中看到以下輸出：
I (1000) Example: Task 1 is running...
I (1500) Example: Task 2 is running...
I (2000) Example: Task 1 is running...
I (3000) Example: Task 1 is running...
I (3000) Example: Task 2 is running...
I (4000) Example: Task 1 is running...
I (4500) Example: Task 2 is running...

結論

在這篇文章中，我們學習了如何在 ESP32 中使用 C++ Lambda 表達式來創建簡潔而高效的任務管理。這種方法不僅提高了代碼的可讀性，還使得我們能夠利用它的強大功能來捕獲外部變量並創建自定義的任務行為。希望這篇文章能幫助你在 ESP32 開發中充分發揮 C++ 的優勢。
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