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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:$ c0 O" w/ r; u' V
  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。
# s0 D9 a4 \0 j0 P$ F. }* U4 @( P$ j4 i, F9 g
第1招:以空间换时间
: K! k+ ^4 r8 f
* B: t' X6 f4 @  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。
/ [+ c( \+ K2 i- v: c. j, W例如:字符串的赋值。
" S/ E$ _, Y) f# f; }4 S, j2 K( X方法A,通常的办法:
, m; R' |4 V6 Q- |' |#define LEN 325 \. d& [) K1 u! E) x. W
char string1 [LEN];! i5 U  u% Z2 f
memset (string1,0,LEN);* B; M  u3 `" i( {4 C
strcpy (string1,“This is a example!!”);
' X8 U$ }2 ?+ A0 h5 n# V: F/ z( `# a方法B:
% I4 _4 v3 Q$ \7 Q* ?0 M* Gconst char string2[LEN] =“This is a example!”;& n  `! f0 D  v0 |2 V& `" c% W9 s
char * cp;6 j! P' Z" s; z+ D: ?. w
cp = string2 ;
1 E$ Z* |7 ]% R. ]* j& B* v# o(使用的时候可以直接用指针来操作。)3 j7 ^4 _# Q/ X- I# s
0 e; m4 L! m# W& K; b' I! i
  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。
3 \3 T! O1 J* Q, V+ X1 q+ [$ z* z4 t
- F! u7 s+ z5 v  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。% P, G" p$ P8 }; @- @; s) [
% F3 {% G9 G2 h9 m+ a) n3 Z
  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
" N$ l" B. d% C" T5 w6 @方法C:( z' ^; K3 v+ V3 t7 Q& ?5 H" w
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
) b- a: I6 b( B9 x  ~2 ]#define bsMCDR2_ADDRESS 174 }* T# m2 g  p3 f3 h
int BIT_MASK(int __bf)' T( Y$ P5 B3 n
{! z0 d0 ~' s+ T3 R. c3 Y0 t1 |
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
4 o; i' S/ i* }8 V% H9 C2 f$ S" _9 X}
$ U! q$ b$ f/ ]" u' }3 dvoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)4 D- {4 T) d6 l5 r$ S. b: s  x0 S
{2 ]0 X4 ^- f8 N# I$ B
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
8 G6 @5 Y% _* W(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
+ m, V1 L1 j" U4 D; S( g}# s- G7 j3 Z  g1 ?" G3 X0 [$ q& K

0 s5 e  A  r. s3 lSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
! c) E, [; g; _方法D:: }+ E7 C) r: l) t
#define bwMCDR2_ADDRESS 4: ]1 s% w8 y1 x6 ?5 c- G
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
$ {8 j9 ~, v5 Y& O, m#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)2 A5 e: d  z5 M5 u( w" P, R- `) C4 ^
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))6 O, z1 |# ^6 T( X/ [- j
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
3 S; `7 Y( k$ P$ R5 o9 C9 }4 B((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \' n; H8 h  @  ?3 u
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf)))): {/ P5 z. |5 b2 O3 H: i) W/ Z
& Y; j# N( ?" x/ d+ _% g" y% K
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
* C9 m& N9 F7 w: V
* N, w4 e: s# a/ @  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。5 S9 D# j" a$ b5 L- Z

1 f8 u# O  X5 h/ h- j  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。8 b) e: X; D* `# D1 A1 y
: N' D4 K" Z& x: k- ~
第2招:数学方法解决问题
0 H( f3 c3 q* a9 ~4 Z8 o: a, E' a7 J; k8 y/ j( I8 V" j
  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。
3 z+ A+ ~- n7 z/ K
: g) L/ ~" l$ {5 {& m/ z/ ?  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。5 G) {) T, O7 _3 b. \0 \
举例如下,求 1~100的和。9 |" u2 G7 w& t7 n8 |1 u
方法E
- W6 W8 ?. f) `2 v# k  pint I , j;, e/ g6 Y* b8 v5 @. ^7 u
for (I = 1 ;I<=100; I ++){
; }" n1 t" Z8 Q( X+ sj += I;/ u% U1 B4 u  O5 M1 Y9 I$ k
}' y5 S3 g0 m0 u3 |
方法F
2 m  f) M% @# l! d" W: f2 Lint I;7 F; C& t) x6 V1 @4 i/ p3 h. o
I = (100 * (1+100)) / 20 p% ?1 _. J5 D6 I& X

8 r" a3 O7 h8 n1 @5 n( x  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。
1 M' W5 m' u  m3 x, g8 {: l! g
! A; g3 I$ G' J9 S6 U, X第3招:使用位操作* X$ X0 _% e9 T" i" k. w

, k/ o. h- H9 g5 }  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。
' U6 D, a0 I5 G1 r, B
- \5 o( S8 m+ d2 W; y9 J0 B6 {& Q  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:3 {) x- o4 \1 c. |
方法G. f! \& \, Q. i: G! T* v
int I,J;
+ j4 J4 E% Z, y1 Q7 hI = 257 /8;9 ]' N; i; N/ j1 j3 k
J = 456 % 32;
, {6 Z8 g6 e( G$ \# u3 x方法H0 X  H0 X, X+ i" D' Z+ [$ V! W
int I,J;' v7 c  K" V; b, u/ H! L+ n
I = 257 >>3;
3 p2 Z4 q0 q. U  u7 D  Y# }4 fJ = 456 - (456 >> 4 << 4);
8 z& ~, |: T4 u) U5 ], M4 W8 J- u( L7 U7 M& i% y5 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。' ^: D0 l( C4 ~. |, I, |6 e
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 @% [8 {! Y; N% L2 F" I
0 Q( n9 a( ^  U4 q+ z! b
第4招:汇编嵌入
3 w2 {. M9 U" p* ~. J; N
! O' O; {; c. ?3 i, R5 q$ u7 ]  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
6 V9 w/ K. v* I4 v2 J7 T2 `8 F4 B, Z4 L2 b0 q% 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。$ n! @$ p! }6 ]2 X3 E- T$ ~

7 _0 z; t8 ^9 ]% m6 Q* S  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。8 D5 Z' l9 J& M; n9 H2 A
char string1[1024],string2[1024];" a6 u) ]" S- C/ X$ K6 Q- w3 t# t
方法I7 F. y" R% J# L
int I;
9 l8 \: |% X* K5 }0 Jfor (I =0 ;I<1024;I++)
' c- f' \5 g0 |* Y1 q5 |*(string2 + I) = *(string1 + I)" V9 S. y9 ]. O" q6 Q
方法J6 G1 K# F2 _( o: [# k  k1 B
#ifdef _PC_
8 O4 c, W  r9 S1 jint I;
/ U# T% {# g; m8 i+ G' mfor (I =0 ;I<1024;I++)1 C$ H& y1 m3 k+ R9 g- F% u+ D
*(string2 + I) = *(string1 + I);$ d  R/ P& L" Z9 y
#else8 ]* R2 U' r  }
#ifdef _ARM_' g' B' Z  |, v- t: c6 t
__asm
/ n- B. |! h$ y5 x2 d+ c{9 c5 K' w3 G" Y& w/ G
MOV R0,string1
0 L3 X3 N) u+ \" q% M/ X2 {; fMOV R1,string2) W3 }# E" \0 b4 K( D6 J
MOV R2,#0
- f' E5 {( c/ Z. I8 w1 zloop:, t* Y+ f; z6 `3 x" V
LDMIA R0!, [R3-R11]
; T2 `* b) O1 h) Z; NSTMIA R1!, [R3-R11]5 b7 v' u( x# }, }) Q) r% j
ADD R2,R2,#8
* U% V' P8 j& i, YCMP R2, #400
+ ?5 k$ U7 R$ I( j( s0 tBNE loop; D* C1 l. g6 I6 p( S  e
}
2 `- Q4 E8 X% o! q( |# C8 n: G#endif% w% p1 q% y* G; i  \

6 g. M$ T' \- i9 f' Y  D% ^  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。
6 p* @& t$ i) W' [0 P8 }% p& h; r' P6 E2 y6 H" h+ @
  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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