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引言:( h' j5 ?! \; L! s7 i3 O3 t; a0 A& E
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。! I# q6 O4 v9 I. }; J- E
~0 |$ w/ `. H$ s+ Z! l& u* @第1招:以空间换时间/ F Q( O9 Z1 I4 ^/ D0 J' h
; \% N" l9 v5 [; ~ 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。
/ P4 r/ `, v7 g/ t* P0 L' e例如:字符串的赋值。% y y# q" W' J7 }
方法A,通常的办法:7 m6 d& P; ^# J
#define LEN 321 H2 O8 M; E- g/ c3 E! `, g: v
char string1 [LEN];
5 L3 s/ ~, h( |) N7 \memset (string1,0,LEN);
+ F. {! S& `5 A+ C2 B5 Lstrcpy (string1,“This is a example!!”);3 H- ?& P- I! N# o, P2 f2 S+ Y
方法B: u7 p, Q2 A5 L7 P, ^' J" H" W
const char string2[LEN] =“This is a example!”;
8 [' d' L8 Q1 o$ H6 Jchar * cp;
! x: B' R' v: h& \2 ~* k$ ?) i5 lcp = string2 ;
* j! t8 q( k: ?) `3 \(使用的时候可以直接用指针来操作。)
: q4 B: p7 p1 F! n
! Z1 a7 Q8 t9 t0 H: o 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。$ L+ x. z2 [* x! d& [3 f: r ^
) I+ Y% V& }" }8 g6 l6 C* `
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。4 ^1 z* c9 C0 R" T
2 z, N d3 D3 u( j 该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:, L: X* Q- m; w3 Y5 U
方法C:8 Y* f, c) R! B4 y
#define bwMCDR2_ADDRESS 4' s% v e2 L4 j- i0 f# L, h8 }
#define bsMCDR2_ADDRESS 17' @! o" |9 }6 W2 n% f
int BIT_MASK(int __bf)
$ E7 m R; N: [* Y; a( Q{
6 [( q& h5 y2 |! M$ t1 L5 hreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
( K v$ t# u) n% H}
6 ]& j# G9 O$ l0 O& r4 ?% f& Q V# Avoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
O$ z# f0 c3 G/ B{
2 A- v* U6 Y% A! u( Z: s* J* |__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
_* z3 x% V0 h1 ?(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
: g' G/ a- |" B}
b+ m0 ]7 P- n8 m4 v6 }9 ^$ R- ~( s$ \% {* V' T* P( o( P
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
) C) y. z$ W" q& `) w$ E+ c方法D:5 r: R3 X/ w& }8 C4 m: f$ {2 Q
#define bwMCDR2_ADDRESS 4/ ]9 `: P, o/ Z' M
#define bsMCDR2_ADDRESS 172 D; f) p# T* p& h; _
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
0 j8 R; D$ S6 \4 }8 A$ b#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
" z8 p: o% t1 R- h# t; L#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \+ m D* l) W( `
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \, P/ `4 m, v7 n1 z$ g0 }
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf)))). c9 g# w2 B9 p
- ]6 A# S& d# G% U; U$ hSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);' e" M+ y3 j( f
9 k! m1 S3 N) q5 X2 q$ V
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。
' ~8 S! j# E. @6 d n7 m4 o. z5 A' O" d
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。9 m3 t' V4 m6 S9 j; {! B& a
/ ~0 a) i3 ^& f8 \" K: g
第2招:数学方法解决问题
, c( L3 R8 ~" t6 I7 h) G# y! l& B7 [6 f& w* }
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。4 q# t6 T! @& ^
# @; w) p& v! B% y 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。
% l- {9 h/ I7 w" g3 |举例如下,求 1~100的和。, _' {: x" s9 ^
方法E
) J$ y G9 r; Q3 s0 }int I , j;
% B& k1 I% k }. u. e2 ofor (I = 1 ;I<=100; I ++){; s* g) R/ W* ^2 C3 g2 V
j += I;' d+ r, n0 S- m: P1 f" B" H
}& e k; Y# k! `; |
方法F
7 t4 C+ u8 K [7 W* l6 Pint I;" b, N6 b6 T$ o. d* E3 w
I = (100 * (1+100)) / 2* ?; O0 Z% w2 \3 b5 o
+ c. R6 c! B2 g2 v4 [
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。
, a+ m, j5 Y0 n. `8 D
8 S0 Y+ l8 @* w7 t" [, e: @第3招:使用位操作
& }# @/ N) G& L3 E. A( \
' h* j% C% A( i0 i' e 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。 `+ W! s" p9 v- x
& D- S; Z w5 C! J6 Q" ]) R5 B 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:$ G; C N) k$ `" x$ t8 n6 _1 A {
方法G- q0 @) G. L: w7 r, \. A o$ c
int I,J;# ]2 q; P( J% J9 T/ {7 G8 N( z6 [
I = 257 /8;
& a9 P) g, m, ?# n( FJ = 456 % 32;, K+ w4 M% t0 x4 z+ Y
方法H0 d# y& K: E' d: T0 B- z
int I,J;/ x- @0 _2 x2 w, `. f
I = 257 >>3;
1 p1 v7 N+ z9 X0 w& [' {J = 456 - (456 >> 4 << 4);0 H; Y6 j8 }( {; s' R
& ~+ P7 X. Q+ @% g2 M2 S
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。1 b2 u z/ ^% R( j# `6 v
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。
' W, S3 f% _2 L" n0 D" P+ h; k$ L& ?2 f% Q4 Z
第4招:汇编嵌入
+ n4 _% G, E/ f9 }& z; l' S
8 p! T) f1 R: C 高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。 [% G. C4 @# q: o8 ^4 O
; y) e& J3 i4 J9 C' K/ n5 v
“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。
3 s' h, o: c0 ?" e0 E4 j3 e2 B) l0 u n
4 c, O+ l" j0 Q5 ^ 举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
. M1 g- U1 D- G: x) j/ bchar string1[1024],string2[1024];/ ?' R! a$ F; [ R+ t
方法I; s8 p9 H" H6 t: X
int I;' \, e: T G; c1 p
for (I =0 ;I<1024;I++)
& x. K, l5 d7 Z7 M2 f& p N*(string2 + I) = *(string1 + I)
) C8 i }. [5 t5 K; p" P方法J
$ v0 o6 m/ h, c6 V9 ]. S. a#ifdef _PC_& ~& j- g6 ` S5 X* j. `; F
int I;
5 E( f" h/ P' ^& lfor (I =0 ;I<1024;I++)$ o3 |; ? e$ u6 R i# d/ l
*(string2 + I) = *(string1 + I);
3 `/ ^, S) _- e& {( c9 L$ U9 N#else$ C) i% O1 ?/ o: m0 ]; b
#ifdef _ARM_
$ \- e' p' P8 |3 u7 c__asm- j% X& ~1 ~. R% {
{2 F0 A z4 U( h0 R
MOV R0,string1
8 L8 x7 {# [, c& @ m+ \9 HMOV R1,string2
" I" l/ _5 O2 f6 Y) x* oMOV R2,#04 R4 R& t1 G6 q' q5 J: J
loop:* l9 d; t8 `' U9 @- U ]
LDMIA R0!, [R3-R11]( f; M7 }- X" ^
STMIA R1!, [R3-R11]
% ]/ ?2 g( V e6 fADD R2,R2,#8" ~' \; h& B2 ]7 s, X4 U) z
CMP R2, #400
* o0 I$ O: J8 U! B9 R: M4 fBNE loop
2 N' L8 w0 N. M3 K} |' i# u6 a; j4 \
#endif& Y& |) W8 Z6 k% S! I
0 Z* {& x) h- [ 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 `$ m) F5 L ?8 `, G, }1 J
! q0 x: p7 B1 q. u 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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