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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:
4 J  x' ^1 C; S! F+ c  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。; W2 R. ]* i* e8 u: |, y0 M
6 ~+ k7 G2 k8 \4 ~; v; Z' Y
第1招:以空间换时间. M( d& U8 @7 Y/ r( y2 q+ ?" ?& A3 O
, k, {  ?9 r9 w/ G7 g8 I
  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。
& ~, _1 a" D( J例如:字符串的赋值。$ ?( I& @$ I" S- e
方法A,通常的办法:  L0 Z3 G- ~8 c: i% }
#define LEN 32. i6 p: v- O" l
char string1 [LEN];6 V% |% t! c! B8 \
memset (string1,0,LEN);
- A6 T/ @$ W4 n9 u6 Dstrcpy (string1,“This is a example!!”);1 U2 ~; T$ F! D) c
方法B:
3 J# @$ N0 x7 {$ J9 hconst char string2[LEN] =“This is a example!”;3 M4 s; _& F' j" f6 u4 k
char * cp;- g( f. q* W$ w
cp = string2 ;
: h$ k  H2 K# K& j(使用的时候可以直接用指针来操作。)6 u7 b5 }+ x, b: U: i+ V7 N/ R, E; C) @

4 f1 H5 c' d3 I9 m4 I9 r  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。
5 a3 q. x" o: b- e1 z
8 O  }- \! R6 S, F0 u8 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。9 Z7 s' A5 j) |# ]% y) {1 Q0 H( g

7 A( ]; I% D+ y. ]4 n+ \, }! c  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
# X) G8 y0 \: ~4 H' ]; S方法C:. [4 ~* Z& d& C3 C
#define bwMCDR2_ADDRESS 4  X+ }" h/ D+ \9 m! [
#define bsMCDR2_ADDRESS 174 j! ~6 p% D! T; T- x1 j
int BIT_MASK(int __bf)) S* o, x5 a1 b$ A9 g
{) D% @5 ?$ x8 r5 f& L" y9 N0 {
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
9 y+ N+ e* H9 B) ]7 n# y}- Q2 w! Z- x# C* V6 s0 Q
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)- t, a$ j3 d/ I2 q; g
{
0 z: S9 C7 J$ `* F% {* t& ^* @$ t__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
$ {6 n! r* r! S- }; V(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf)))): v: C) m, x' Z0 z7 }
}
  F* q1 q6 W. q3 H+ K7 {& b  ?$ M/ w" O2 d; Y: ^9 ^& c
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);+ l3 [* t: `: m! \# J. \
方法D:
& R/ Z  H2 Q+ A* U( \#define bwMCDR2_ADDRESS 4% }1 U. y8 Y$ D; K: \3 n
#define bsMCDR2_ADDRESS 174 E1 K. N- z- K( Q$ l
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)" O* D" L" M( S) P& m
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
, I5 r" ^3 J8 R: m#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
$ j+ f" l0 Y1 b: S$ K" [4 t((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \" `0 j" A; _. e3 [5 d7 U% Z1 p6 \& ^
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))8 G& t( s) U- e* ?: g

: ]) N3 C2 {8 I4 b9 e; h5 VSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);; y' s# l0 i: w
* _/ f/ I* |; e7 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。
7 h! Y' [  K% D1 O, Z' X4 _) t/ q: R, C( B% 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。, N, M4 G$ \" B9 i" c# o9 Z
2 ^' }, `% B/ o
第2招:数学方法解决问题; k8 Z# C. R( f

2 Z: N6 Y4 l0 @6 U8 K6 w( l( 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。
( L4 I, Q4 d" h( G- O& Z; Z# Q. y2 r7 N
: G4 n4 z: w6 R8 I( `( l  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。
6 n' j: E* M: K) P/ d! [& E举例如下,求 1~100的和。
0 |9 d3 ?) `' G8 f( D3 v% ]方法E: ^" |( |0 K1 O) {3 Y# }
int I , j;- Z) {) P) N5 ?6 j, E
for (I = 1 ;I<=100; I ++){" a9 ?/ o, Y0 U' R6 X9 _  M7 S
j += I;) u' H/ S& ?) \) k) j% Z
}! p5 T: n- ]0 M9 j
方法F
# E/ _+ W' r9 R5 tint I;
* ^, }2 L1 b. h* x/ g  p, }3 cI = (100 * (1+100)) / 2
( o' w! @! v+ G
" o5 @& [8 m* j0 q9 v2 `# U  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。% j7 P+ I: `1 m7 w  j% N
" d; J6 F. m8 c* K+ n2 N8 x
第3招:使用位操作
  ]3 H. O' Q! N, s5 c% v
# s. u$ ~" N0 \: h7 V  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。9 F! t, K6 z6 _3 X' B0 d. F3 o
* v8 O+ T* m0 \
  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:: V9 R5 [3 P% x( a; A& w
方法G
( M, x, A8 H' y' P% iint I,J;9 p# t' U2 ~2 b- D  ~
I = 257 /8;, u; l0 P$ w1 w6 k1 [! L8 Y
J = 456 % 32;- r( V" e! p9 V( @
方法H
: g; M" [5 @$ X* x# pint I,J;
* {# f) O# g1 G3 N7 V% V9 hI = 257 >>3;. f0 s# `9 a: Q# u7 s
J = 456 - (456 >> 4 << 4);3 \6 m9 Q3 p+ J1 ?- J2 `
# S5 O' f# ]# u; X: J/ [
  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 V- P  j* q* y* f% 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。* r) o% B0 e, ^5 z5 M! s* V
* n& O. T0 N) x6 l
第4招:汇编嵌入
( L1 q7 A$ x1 ~* O8 b# [$ y: |( t& e& o, e" [
  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。3 [2 \  ^/ g, T# a# t, j

' N  ^; |- M/ S+ p' q  “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。
" C& P  v( F+ `, l% M1 w- Y) V( g8 C% |
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
) E/ W/ z. \- d7 tchar string1[1024],string2[1024];9 n! H  }: `1 m& q
方法I
9 e/ i: s- o9 I0 u5 @, D5 x4 ]0 |int I;4 w8 I* B1 f  ]: T# |8 v
for (I =0 ;I<1024;I++)
6 Y& c% g3 D0 r*(string2 + I) = *(string1 + I)
* W5 D2 n0 b1 v# d+ }方法J
" D* V$ o( F8 S/ W: m; C' }* J6 @2 o  A#ifdef _PC_. [0 ^- G& c" C4 J1 U4 H! y- g
int I;
8 S% O( P0 m% n0 M9 l. g# afor (I =0 ;I<1024;I++)
9 P6 k" l' E& x; h% q7 S*(string2 + I) = *(string1 + I);
) b, Z4 o  W) I& p  p4 y#else( u& o+ f5 K( Z9 A7 Z; F* T7 a$ b) v
#ifdef _ARM_
/ z) v  M1 d' c4 x6 C: }4 M' Y__asm
( E! _$ z9 H, p: y7 T{" n8 M" f& l! C  e  [8 r$ O
MOV R0,string1
% k, n1 ^; {! u( l( k9 hMOV R1,string29 t: L) D- `. Y/ w7 t* t4 d9 w
MOV R2,#0
) Z9 g0 R. e! k& _6 E% mloop:
. f7 r) ?$ T7 tLDMIA R0!, [R3-R11]  ]6 s/ \& q# C% u
STMIA R1!, [R3-R11]
9 c9 V# `3 c* x! }$ ?1 W* I4 HADD R2,R2,#8
! ^5 h* t3 ~9 i: j: K/ uCMP R2, #4004 f* G* \2 U* L$ D& c
BNE loop
* l( I; D3 ]% N% y! J! J}9 N4 y2 X9 r4 K& I" T1 Y- \
#endif
, T7 i) n( O5 f$ X
$ f/ E6 S+ F& t' z- z* 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。
+ e4 w  d/ C" A5 \+ b/ G& ~* {; L4 b- d& a9 a3 X" h4 V4 q3 ~# I
  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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