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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:
3 e; _( M. q. E! q5 R% U  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。
  `7 x6 u* c- A0 d" v
1 i' _' E( z& ^# N) K  e第1招:以空间换时间4 k* D3 j- j2 a0 _( @: C. f: v

2 [2 Z. h$ S8 f7 k" y, |, I6 c  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。
7 Q% y9 c4 T* q1 q8 _# k例如:字符串的赋值。
$ ^4 L# u9 F) C! b7 z) ?: K; [! W6 D方法A,通常的办法:/ z1 ]) @% l" \
#define LEN 32
8 T; l  C5 [* Tchar string1 [LEN];
3 ]# m1 z& b" y6 t& Bmemset (string1,0,LEN);4 v5 P! a5 C! S" n" _8 G
strcpy (string1,“This is a example!!”);
3 j" a+ L& T( g" o7 V方法B:& g8 j. X7 G4 E5 Y- M
const char string2[LEN] =“This is a example!”;# ]1 _, y, E9 i
char * cp;1 `0 R6 K7 P) }3 R* u
cp = string2 ;
6 L5 D) O. d3 p(使用的时候可以直接用指针来操作。)
* R) p# |1 S8 b7 b$ Z- x* P5 p: n4 L7 @( M, M
  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。
- L8 d0 e9 H, y
8 {& Q% e8 o3 n  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。1 N6 A- {7 y; @/ {/ B- D
& U2 V, p) y; x6 W1 {; b0 {
  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
, T  T; S" m2 ?/ U方法C:
3 _, ]( L* V$ [) r5 P$ _#define bwMCDR2_ADDRESS 49 j2 l3 ~5 ]. q' v: J$ ?) v, u( I
#define bsMCDR2_ADDRESS 179 \- r7 f& c! [3 {
int BIT_MASK(int __bf)
; E% h4 z! @! Z7 A, H& p( F! t# {{2 c, G- l& g3 |  W+ ^7 o
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
, A9 }( u- k$ D! F3 ^! s}$ U6 k/ j( @1 S0 H
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
6 h, ~+ U, V/ o) z/ a) n( t{
3 D! ]# m1 @- |" t; M& E__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \# L5 I5 b. F- e8 x, C6 C) H
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
! y! M8 o7 `  q6 ?) J, [}
9 T8 o8 [, F1 a+ O3 g) E
) \( p4 s0 k& Z- b, @+ a* B' T' mSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
3 a# ]  n  a/ E7 S方法D:& j7 x, ~3 N9 A  A
#define bwMCDR2_ADDRESS 47 Q8 k2 D% M" W7 K8 l2 ]
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
* f2 |5 {+ s! p$ [#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
3 q0 M+ l: G8 ^$ ~, e, ?3 S! h#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
+ H( V8 _9 P! ~! M$ t# G: l#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \& S7 ?7 ^8 _0 P* V  I
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \% p0 |% M8 d, \! g1 v- w/ x3 g
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
. a& B9 A' t# M1 }& B
8 h* T6 \# w: e# n) l4 Y" VSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
/ V( ~& G" ?- I0 ~6 c6 v0 h: \8 f6 q8 b5 u! M0 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。
. z& c  u3 S8 _8 t5 D* H
" w5 P* Q+ Z) n2 G  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 T. ]3 ?- w4 |
6 X1 G+ k6 I$ I0 \# Y$ a$ U
第2招:数学方法解决问题4 J! s& b, D0 _- y. d/ b
8 u& L" K2 ~) }8 r; |( F& E
  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。
9 j7 _" |/ ?7 j* a) y, f
$ N9 B( C, ?5 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。
2 c/ x8 v# y. D. I- _  J- x举例如下,求 1~100的和。4 R9 W4 x' \7 \. I4 \
方法E
8 W0 I) Z9 ^& S+ Xint I , j;
/ p( j( S- x" v$ ~9 H5 Tfor (I = 1 ;I<=100; I ++){/ D% D" y0 u  w1 j4 o. c+ e9 v
j += I;4 b% @6 w3 j! W0 [! O
}
6 h; x  O) j' j  @( P' ^方法F5 g' b  D. g  Q4 d- p2 a
int I;
" v2 X& y$ s; s( R+ yI = (100 * (1+100)) / 26 i* A- r  n, g9 P) e) J

# Z3 R6 }1 Y  P8 Q9 f1 }  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。) |4 O% C: [; d) u
! g8 e$ M; W, P$ |" l( i) ~  [
第3招:使用位操作: L7 t$ J6 o" u: q4 J
# k/ V2 h9 t6 l: A* w
  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。2 I0 H' j! `4 r( i- g6 H
) G# P, a/ n) G) N
  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:5 a* i5 O& |2 W0 ~& c
方法G( T# b5 O- P' d/ c5 K  {
int I,J;
' U: @! c" _, L& ~0 ~4 F5 _I = 257 /8;( J* j1 F: N+ b, d
J = 456 % 32;$ Z3 O4 a+ Z; S! ]. k
方法H
& @6 J. e3 V$ J9 L3 U5 Tint I,J;6 s9 H! q- Q0 F
I = 257 >>3;
4 {* w. e" f  zJ = 456 - (456 >> 4 << 4);
; ^# r) _- M% G6 v( p; Q
- M( w/ @8 c4 o5 ?* G. j, a; H  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 F! Q# R4 ?0 U2 V% X
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。
' [/ U( g7 i& l) v  M: u9 S9 c# Y( d8 N& E* C3 E8 c+ `
第4招:汇编嵌入
4 D, j! i  }. t& J& Y* P( S, V/ I% _* D/ g+ c$ A, Z; b/ ~5 H( h, M
  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
" \/ N' k0 h/ j) _; F/ u" |- G2 k
% I0 q6 d, z9 e! C" Q2 A; G  “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。
# f1 T3 w! J" B% C# e6 t
, j3 H2 W  F: N* h. C- R/ F& ]  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。) k- [7 M' ^: p( K7 M! E
char string1[1024],string2[1024];8 @1 n! V. @3 B; I6 m
方法I
3 {1 o8 k. [6 G* i2 p" r$ W/ oint I;0 l! ]- x/ u- n" l) Q
for (I =0 ;I<1024;I++)
0 A7 [$ H7 ~/ j4 R$ ?& Y& S*(string2 + I) = *(string1 + I)
3 v# I9 K2 a' e  R  J- r方法J' `2 B, E1 t7 \. I( y" z, c
#ifdef _PC_; _+ s/ }. k. n$ Z9 x
int I;
  I; R( ?  b+ d$ Efor (I =0 ;I<1024;I++)
' m9 k/ S# D" f7 P2 N% l6 N*(string2 + I) = *(string1 + I);
' P2 J3 T; k. a#else
# m+ f- r. o2 y#ifdef _ARM_
+ b* D& m) ?8 k  d+ ^9 c__asm
% h$ U/ ~# H- h5 G{9 F! l6 W+ i6 i7 }" r2 a
MOV R0,string1
! u0 x! Q: A1 z( `/ f* UMOV R1,string2" `( |/ y0 Q' N( M" c8 g
MOV R2,#0
9 o" R5 F5 v  i* Kloop:
3 ?% A" a8 }- _& ZLDMIA R0!, [R3-R11]
$ v7 B4 c# ]$ @. A/ }" L% q1 gSTMIA R1!, [R3-R11]! c; _, U3 N( W8 D0 X2 s
ADD R2,R2,#8
# X9 Z# R. `! X) `  d6 }& `  mCMP R2, #400! v2 S% c! u; n' B* s/ z
BNE loop- p6 L- p* c+ @& y7 X
}
; M! U. E0 N; T' {: l#endif
8 m( N; ?& L7 t: N! {  \7 j2 }- M4 @8 ]
. [4 f1 _5 Z. y  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。
: m% Q! f: K' D9 {- d' ]# v) K
/ p1 R. G/ j! j  b  g  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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