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C语言高效编程的几招

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发表于 2006-11-14 15:25:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言:
0 L4 k' }' h( |9 h) H, v' d  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。
" k4 }6 |. z! `3 w0 D% [/ t% _( J' U6 D0 e7 J1 A7 `; S9 B
第1招:以空间换时间
( W1 _) e4 c+ j  T/ G
8 [: p0 n' s4 I! W! b  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。4 I8 q2 `# m: l8 s/ `: b  ]* R
例如:字符串的赋值。
# b8 \: X% ^  L7 v* x6 t方法A,通常的办法:
( ?! m3 ~& w/ D( G# H#define LEN 32( |- `- \( i0 R" @  x
char string1 [LEN];% a4 w& p( F$ S9 w% U
memset (string1,0,LEN);/ E/ C3 y. @6 t: H& Z7 ?
strcpy (string1,“This is a example!!”);
2 x" i/ a2 y) R# m! l方法B:, [3 i( _1 c! F4 N9 j9 S& H
const char string2[LEN] =“This is a example!”;, [$ ^0 T' g0 R5 z2 e) y% p: @
char * cp;
5 x: }, j4 v1 rcp = string2 ;
, L, D5 ?8 a+ O% ?1 G(使用的时候可以直接用指针来操作。)
# y$ Y0 N* J/ E% }) r- d$ |3 q& C8 I/ Z6 p2 p1 S# o& 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。
9 b" g; i/ V  J3 I) R
/ {4 i: `- }8 ^  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。8 {& w! }4 a. t! w$ j7 i! {
( o+ T, g9 k8 b% M$ d
  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:, @, p% {! {8 W. O4 W
方法C:) T, e  G4 A- v/ c* W
#define bwMCDR2_ADDRESS 4( U  ?6 [+ a; y
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
4 N5 d$ T6 ~  t7 l' b" jint BIT_MASK(int __bf)
0 o; ^: ~! H7 v) p- o{- H$ j; f3 C3 u1 C7 ]
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);) U7 H5 n$ i+ ~2 m
}
+ ~) L+ \3 ~* }9 ovoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
0 x# W' u* b7 d. A8 S. t5 d- i1 K$ u{
% r/ m* d0 V; a! r# f+ Y: l__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
: \9 O. j/ K$ r0 r* [5 o( x(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf)))): B: c) i8 ^/ H% `3 G( A
}
1 f1 _4 N7 i1 `& c; r1 J+ ?
) m- \7 W) S" y, M) B# U/ nSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
3 ]( P* G+ L7 W: |方法D:% \' l! K# _; k( D0 H
#define bwMCDR2_ADDRESS 4! s9 h; C  c/ m
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
/ @' ~3 z1 @$ L) T#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
! |! g0 I. h) Z; d( X" a) \#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))7 Q% R0 A& i% D8 I7 i6 s9 d6 d
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \2 Z4 u" ?9 g, c- K
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \1 n: U9 \& a9 O/ v
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
  d9 C  ?7 O+ o) c7 }1 L7 r: [7 u. f% K6 ^
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);7 T, A9 M  J+ `+ Y

- f9 h4 O: B) I  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。' \: W8 W2 e* K
( h9 Y2 G$ I. ?) w' U7 ^* i
  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。/ \( Q. n; i0 h' `3 E

9 Z+ j& J6 l0 g  ]第2招:数学方法解决问题+ Y) |" W$ l, }$ R$ w" x

4 k4 j. R- q8 m5 v" f9 m  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。
% @! R' F! {* y  r! Z( T# S5 @; C2 V
  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。$ q' E* ^( z5 S4 `; s6 t
举例如下,求 1~100的和。4 T5 x$ o0 P- R. K4 t0 y; b
方法E
0 P4 T% [2 f! z+ |int I , j;
9 v8 c8 _. z: D* Q1 O9 lfor (I = 1 ;I<=100; I ++){0 B/ M. t3 H4 t6 c1 q  H2 U
j += I;0 L9 N( ~/ s5 e
}
# r2 {# c$ X! ^, f2 E* S方法F, {9 L& C" l  B/ T' R) P. i
int I;
& H$ Z( |9 D, g: YI = (100 * (1+100)) / 2
  f& ^, k) B% Z* x$ }2 Z4 X: U
, A5 o: I/ W7 ~- ^( r  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。: Q& X# x3 Y5 z! c$ o8 O
3 i# c' N# M6 U1 N0 i
第3招:使用位操作
8 o  s+ d; k$ e( g
7 u8 `2 R0 D. i- B: @0 S1 K- Z  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。7 T. Y( I* M/ N

$ L9 q+ Y+ G/ ~& R  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:
1 b  c8 ~# T8 _0 ?5 F/ U) Z方法G
+ s& v& R8 S# M0 ^9 Dint I,J;" `+ s- n0 ]0 w7 b( e( a
I = 257 /8;
! r4 z0 S: N2 q  I  s3 jJ = 456 % 32;
! q& w9 s- k: r5 N7 k1 |" z9 O! L# g! K方法H( v- f" C" `9 u4 z
int I,J;7 [0 u" z1 d4 m) a; t
I = 257 >>3;
" P8 B7 j/ E5 G! ZJ = 456 - (456 >> 4 << 4);! }! e8 j5 |5 `

3 u3 s# y5 A* E9 e' R. n  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。- f* v) F# w$ p  r
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。
4 n+ D  M% x1 Y3 h+ k5 K3 Z0 ^- T$ R1 d0 v4 a9 _5 Q
第4招:汇编嵌入
1 M) O9 v7 D. C0 ]
/ c% ?# H0 Y8 B) i5 Y- Q, h; z  p  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。) ]8 _7 _5 E# }1 z2 w! u

+ y( O$ H! Q8 h, I2 r* |  “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。* a1 v1 u- J0 C6 J2 W
7 g  G4 D- J# q- n0 H3 G( S
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。9 h- G1 j3 B! ~) _
char string1[1024],string2[1024];
4 _6 i( a* h3 J2 i) d" x0 ~方法I
$ }8 f* V' b1 L, F) G' wint I;
, c# p1 e: k) ]; A3 ~for (I =0 ;I<1024;I++)8 I0 B0 E/ q7 K  q$ i
*(string2 + I) = *(string1 + I)7 N; Q! i0 I  J. b
方法J( @2 x1 ?2 n8 q, Q: a. I+ F
#ifdef _PC_
) N3 R2 g: e3 P$ N" ^  Fint I;- |  V6 j- Q, [
for (I =0 ;I<1024;I++)& R# ^6 b/ s* z) Z& E
*(string2 + I) = *(string1 + I);
/ r" N2 {  D# K  [#else8 m" V+ w% x( h# A/ i: R( ^- S
#ifdef _ARM_
- j. O2 v2 e# r# K1 e__asm3 f5 A# M0 t. r  ?9 h+ f
{
6 I. x) Y6 s9 @' s. [' fMOV R0,string1
% A) C5 d. E) I1 B- fMOV R1,string2
+ Y6 b; G, x) h6 rMOV R2,#0* a+ A+ Z+ U! n, S# d0 {0 a% _  i) F$ B
loop:) e  a( R( a5 Q( V0 [
LDMIA R0!, [R3-R11]* W2 f+ E0 C* ?8 o- V, H
STMIA R1!, [R3-R11]- t8 A. r8 {" f
ADD R2,R2,#8
$ x. Y4 P0 |% {/ wCMP R2, #400
  B# W/ ^2 {. @. C0 q. P8 ~2 EBNE loop
6 D5 M0 z, G" J4 n, C8 R9 v}; d7 S5 Q8 y1 _% K# w2 Z; P
#endif
& y1 ~+ H: z6 \+ f9 g  S: D9 Z1 F; o! s) d0 K; B
  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。
0 i- N9 z: X$ D
: @" E" m2 h8 |% k  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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