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引言:
; g) G9 S3 c& ^2 c2 x8 ~, P 编写高效简洁的C语言代码,是许多软件工程师追求的目标。本文就工作中的一些体会和经验做相关的阐述,不对的地方请各位指教。
F- A# V# v4 {7 \5 g; J5 c8 _3 o5 e. D4 ^, ]
第1招:以空间换时间/ o+ A! `6 f$ z, t5 p
' E8 |: `5 y: L9 }6 ^
计算机程序中最大的矛盾是空间和时间的矛盾,那么,从这个角度出发逆向思维来考虑程序的效率问题,我们就有了解决问题的第1招——以空间换时间。6 h+ s" N# `' w: g# j }
例如:字符串的赋值。
3 m3 ~5 C" `9 e x) Z方法A,通常的办法:
& k" v9 Y: Q3 g2 A- H6 T, H#define LEN 32
" q* `. U- D6 ?4 ]5 nchar string1 [LEN];
6 b; h c i$ a z8 Amemset (string1,0,LEN);# \9 f7 g" {* {
strcpy (string1,“This is a example!!”);
% L6 b; `0 i- G方法B:6 f: b3 d7 Z. C; p4 Q/ S; }4 M
const char string2[LEN] =“This is a example!”;
- a: C+ P, Z8 k' }4 F+ r, S( v: f7 Echar * cp;
* B: s/ T' F, U0 vcp = string2 ;
4 g3 I/ }/ }2 r) A0 k, n( u4 \(使用的时候可以直接用指针来操作。)5 k3 _: ~% O+ }# I4 ] N
! ^0 U9 ~- Y$ ^7 [8 u8 Y) k
从上面的例子可以看出,A和B的效率是不能比的。在同样的存储空间下,B直接使用指针就可以操作了,而A需要调用两个字符函数才能完成。B的缺点在于灵活性没有A好。在需要频繁更改一个字符串内容的时候,A具有更好的灵活性;如果采用方法B,则需要预存许多字符串,虽然占用了大量的内存,但是获得了程序执行的高效率。0 R* g8 o: F' c) L
3 r" _( Z7 j& f
如果系统的实时性要求很高,内存还有一些,那我推荐你使用该招数。5 B0 r$ f* W9 Q# X
6 C( [" J, ^/ F8 y8 R v. M 该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:- R/ ~* n, h5 p* ~
方法C:7 [: Y$ u. ?, R- z6 P5 J
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
8 v1 f5 u$ h. r6 m#define bsMCDR2_ADDRESS 17
: v4 n* B0 p4 m. U4 B- w4 H1 Y2 [6 hint BIT_MASK(int __bf)
, m, Y& w% F$ J {$ g6 Q{
4 D4 w) f, G# M2 B6 p, Mreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);/ J4 o4 I8 m: b
}
0 R1 e Z; G% W; Fvoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)0 |4 \) s( M2 s
{* C% s, ?. |! e/ T* P
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
6 `0 a; d; H2 _1 w% j5 E) Y(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))1 F& e6 z) D- N; i
}6 k, E+ d5 W; S1 y2 X% ?: Q0 q
- o& u7 Y0 q* I0 k: a/ h4 p3 b
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);* H( t2 \! W$ \& ?
方法D:
+ K1 G7 z7 r: T, v5 S. j( g) |#define bwMCDR2_ADDRESS 4, i, p3 C% t6 r7 i; p8 ^$ @
#define bsMCDR2_ADDRESS 17- C- J; {% {0 F/ t @& w; `! e/ Z
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)! L5 H8 S" H# P1 P3 ^
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
5 c' O. I( N7 R#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \: G2 X. }* b7 w. a
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
# m8 m1 A" [- x( d% E: E; d8 }(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))8 I8 Y5 B! r4 J7 d, v% B; ^# D' o
" Y& ^1 ]0 q; f- z) u) m4 W
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);8 `7 Z1 {- h0 h% O% x; T6 R
6 l- B0 @& J: n 函数和宏函数的区别就在于,宏函数占用了大量的空间,而函数占用了时间。大家要知道的是,函数调用是要使用系统的栈来保存数据的,如果编译器里有栈检查选项,一般在函数的头会嵌入一些汇编语句对当前栈进行检查;同时,CPU也要在函数调用时保存和恢复当前的现场,进行压栈和弹栈操作,所以,函数调用需要一些CPU时间。而宏函数不存在这个问题。宏函数仅仅作为预先写好的代码嵌入到当前程序,不会产生函数调用,所以仅仅是占用了空间,在频繁调用同一个宏函数的时候,该现象尤其突出。
, I7 l# K) @+ n7 m( a* H; A: A' \+ m6 U1 }1 {
D方法是我看到的最好的置位操作函数,是ARM公司源码的一部分,在短短的三行内实现了很多功能,几乎涵盖了所有的位操作功能。C方法是其变体,其中滋味还需大家仔细体会。2 B, b" s! @# t" ~( {
4 c( j4 u+ d8 p第2招:数学方法解决问题1 P, u6 ?3 C$ a6 d3 i, n3 Q
' y- ]7 @ l$ t) ~4 k 现在我们演绎高效C语言编写的第二招——采用数学方法来解决问题。, J5 V8 Z4 V% H6 A
: v: Y" I7 i8 U6 g& Y: M% P+ F, D4 s 数学是计算机之母,没有数学的依据和基础,就没有计算机的发展,所以在编写程序的时候,采用一些数学方法会对程序的执行效率有数量级的提高。
) f( z8 p @! h8 j; U举例如下,求 1~100的和。
1 a9 b4 ]4 A3 z% F$ R8 S方法E
V6 e7 p' T1 X* ~int I , j;
( r9 O( @7 F, \( Wfor (I = 1 ;I<=100; I ++){, F3 M- Z9 H$ b7 v
j += I;1 E& ^$ m/ F( U- O( ^5 [& [5 Z
}
2 A7 R/ r+ _9 j7 l- [$ c方法F, g5 |, Z4 F7 I7 P7 u% \3 B7 ^
int I;
6 q& Z7 x5 Y0 {+ {6 fI = (100 * (1+100)) / 25 g5 l0 O' n( `9 [; j
: ]6 z* T: n4 O( @ 这个例子是我印象最深的一个数学用例,是我的计算机启蒙老师考我的。当时我只有小学三年级,可惜我当时不知道用公式 N×(N+1)/ 2 来解决这个问题。方法E循环了100次才解决问题,也就是说最少用了100个赋值,100个判断,200个加法(I和j);而方法F仅仅用了1个加法,1 次乘法,1次除法。效果自然不言而喻。所以,现在我在编程序的时候,更多的是动脑筋找规律,最大限度地发挥数学的威力来提高程序运行的效率。
{5 t& S# A% O5 {) z+ C
$ D" M5 ^7 n: z! ~5 t第3招:使用位操作
$ H# ]/ e" B& C: z
* h7 g' x% x3 G( R4 B1 F 实现高效的C语言编写的第三招——使用位操作,减少除法和取模的运算。
* p0 V- q) L8 s/ n6 E. v
7 E3 X W8 r: \ z7 |. u 在计算机程序中,数据的位是可以操作的最小数据单位,理论上可以用“位运算”来完成所有的运算和操作。一般的位操作是用来控制硬件的,或者做数据变换使用,但是,灵活的位操作可以有效地提高程序运行的效率。举例如下:. q4 Q4 V) G/ X; m; j! R
方法G! Y5 u) {! S* D g, E7 @: y( G
int I,J;
7 d" |$ p" E* |" r0 DI = 257 /8;2 e* ^+ `3 R9 \- d2 K7 d
J = 456 % 32;
8 U' y& C5 M8 ]$ b方法H0 @; N" W b5 a; A8 U* p
int I,J;
' Q4 F) b+ S" X7 B9 Q" TI = 257 >>3;
( p. t' m S' P! rJ = 456 - (456 >> 4 << 4);
0 S, I& f4 P' L- l) |1 m5 G! u$ j; @. e4 @5 c* J+ a
在字面上好像H比G麻烦了好多,但是,仔细查看产生的汇编代码就会明白,方法G调用了基本的取模函数和除法函数,既有函数调用,还有很多汇编代码和寄存器参与运算;而方法H则仅仅是几句相关的汇编,代码更简洁,效率更高。当然,由于编译器的不同,可能效率的差距不大,但是,以我目前遇到的MS C ,ARM C 来看,效率的差距还是不小。相关汇编代码就不在这里列举了。
/ R3 C K0 G9 m* r/ N运用这招需要注意的是,因为CPU的不同而产生的问题。比如说,在PC上用这招编写的程序,并在PC上调试通过,在移植到一个16位机平台上的时候,可能会产生代码隐患。所以只有在一定技术进阶的基础下才可以使用这招。2 [* q7 @+ a1 _& w- P8 x# i& S
$ K* P% p; ]: ^3 y
第4招:汇编嵌入4 l6 U% a0 f6 \ _0 N
; u# S7 J5 }6 d# C" H
高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。/ k6 ^$ w6 L/ n; `+ R! ^+ |
7 z0 s! y* [2 o8 T# K
“在熟悉汇编语言的人眼里,C语言编写的程序都是垃圾”。这种说法虽然偏激了一些,但是却有它的道理。汇编语言是效率最高的计算机语言,但是,不可能靠着它来写一个操作系统吧?所以,为了获得程序的高效率,我们只好采用变通的方法 ——嵌入汇编,混合编程。
R- }: o/ w; P! n: e3 f1 _1 G1 D# l4 a. {9 r
举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。& \( Y: t5 ^7 x' {0 [) J/ f7 V
char string1[1024],string2[1024];" Q' }" G5 a; g% v5 h5 ~0 P
方法I
/ X+ ^. N% ]( `! @# R. yint I;, e9 _" H, |7 F: K
for (I =0 ;I<1024;I++)
, O8 ^# [2 [6 d6 W% w& u0 L*(string2 + I) = *(string1 + I)# r% K8 h f, F2 {; s
方法J: u1 g$ l( u# F* k
#ifdef _PC_# j7 P' S: ~3 q! w
int I;
/ L- M) h/ i( M/ v' M: s; ffor (I =0 ;I<1024;I++)$ ^; M4 y* g7 h9 B) X' P1 y
*(string2 + I) = *(string1 + I);* M& `5 o% p+ X, p* y$ [/ y
#else
4 f7 ^' U% s/ |- c$ o( {#ifdef _ARM_
0 {' F, B) o3 {6 U8 J6 L__asm
# s2 ]+ r7 c: W2 y8 N5 k$ R/ K{! G% e! U" }. a0 W" Q
MOV R0,string1
5 L; W, W' x# G2 PMOV R1,string2
3 K1 m( H# G/ \0 T qMOV R2,#0
2 |4 W6 N8 V0 M3 s- `; `' P1 xloop:
* D! ]' f$ q, h1 A$ u/ E: VLDMIA R0!, [R3-R11]- h, ]5 M* h% e+ N9 ]
STMIA R1!, [R3-R11]/ C' u0 _! V6 \& s( _7 V8 y
ADD R2,R2,#8
4 o) u3 t: p, ^CMP R2, #400/ G* O5 u3 l7 P+ z, I2 X' a
BNE loop8 T! t7 \6 ]: c- x- ~5 n
}
: \: y" u! V+ B* N2 p0 S#endif
r! j# O3 B! ~: Q {
% ^* C6 n% `; L5 u 方法I是最常见的方法,使用了1024次循环;方法J则根据平台不同做了区分,在ARM平台下,用嵌入汇编仅用128次循环就完成了同样的操作。这里有朋友会说,为什么不用标准的内存拷贝函数呢?这是因为在源数据里可能含有数据为0的字节,这样的话,标准库函数会提前结束而不会完成我们要求的操作。这个例程典型应用于LCD数据的拷贝过程。根据不同的CPU,熟练使用相应的嵌入汇编,可以大大提高程序执行的效率。
( w5 _' l( V6 d
7 [+ j+ N$ e6 ] 虽然是必杀技,但是如果轻易使用会付出惨重的代价。这是因为,使用了嵌入汇编,便限制了程序的可移植性,使程序在不同平台移植的过程中,卧虎藏龙,险象环生!同时该招数也与现代软件工程的思想相违背,只有在迫不得已的情况下才可以采用。切记,切记。 |
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