C语言高效编程的几招

天云上人

引言：
/ h6 n4 A; G- 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。
$ N% i. [, {, |
/ C( i5 x8 `$ j+ q- \+ z. f6 b第1招：以空间换时间

, S# `# z( x: P7 M& }1 Q　　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 K# |. w6 L4 v例如：字符串的赋值。
- [# h  [7 Q5 w4 S" P6 t方法A，通常的办法：
" r! }0 j1 Q; A8 L% }#define LEN 32
char string1 [LEN];
7 H9 ]! V  c5 S3 T, N# ememset (string1,0,LEN);
$ E9 }) I5 e0 x$ t( B+ k5 jstrcpy (string1,“This is a example!!”）;
方法B：
const char string2[LEN] =“This is a example!”;
$ t3 E' v: `; |. t; N/ zchar * cp;
$ ]. G7 K5 j, p/ T  M- Ocp = string2 ;
' K0 Q5 s7 K* r(使用的时候可以直接用指针来操作。)

　　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。
$ v& {% k  s5 A2 G
: z! C% n9 a$ e% f/ y　　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。
' C9 k# G: g1 [# t' v
; i! f4 I+ [1 m$ _3 m. V　　该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下：
方法C：
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
: X& n$ ?; i( J! T' D# N/ aint BIT_MASK(int __bf)
3 d  `: {+ u! r{
: p" V$ n5 d* ^return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
}
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
0 l0 W, j9 f; G4 @{
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
$ d- \; I: W" h' z) S(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
% U7 I! `" B$ `: ?+ r- w# S/ m}
0 K, l4 r) U, G. t2 y$ |5 _
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
/ u& K6 P7 J3 x& `: T1 A方法D：
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
4 @6 g0 W$ T2 m( Y# Q3 C
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
# J0 |* X% P6 c8 w
! c% d  Q% Z3 e/ v+ F/ 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。

1 T9 v, Q# }3 E　　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。
! O  [0 R# S" {* z' S1 g; @
# q# m3 j2 x( g, z7 f, V( p第2招：数学方法解决问题

　　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。
) ^! a: F: r5 b- \, r0 ~
　　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。
举例如下，求 1~100的和。
- Q, a0 E( W; ?! s方法E
1 R+ h7 R- ^; ^; T  vint I , j;
8 E- V1 j8 [' p! T0 L/ g# t2 ~for (I = 1 ;I<=100; I ++）{
j += I;
}
方法F
+ H4 l5 q% _1 g* r9 V& qint I;
I = (100 * (1+100)) / 2

　　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。
& k  F% m# Q% O8 M
# U8 ~$ Z* N4 [$ i) r+ [) P第3招：使用位操作

4 Z/ f7 k3 R% a2 T+ f7 A　　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。
$ i' @( I4 O8 ]& r4 L
　　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：
# ^* ~6 O3 L; ^2 R方法G
int I,J;
I = 257 /8;
J = 456 % 32;
方法H
int I,J;
# ~  \: B$ x; N, S, U$ v6 P! ~I = 257 >>3;
J = 456 - (456 >> 4 << 4);

- M# s) k6 q. v, V  a- O　　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。
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。
7 s/ Z2 q" A7 C2 ~  I
第4招：汇编嵌入
6 b2 U7 a/ B. f" `% k
　　高效C语言编程的必杀技，第四招——嵌入汇编。
0 |6 [! A+ m7 }
) W7 [+ X( r3 a4 f& j8 x　　“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。

　　举例如下，将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
char string1[1024],string2[1024];
& ?7 r# P0 p& T3 a/ M+ ~3 e方法I
int I;
) V( O& V! j  T6 @for (I =0 ;I<1024;I++)
*(string2 + I) = *(string1 + I)
方法J
#ifdef _PC_
& g  g. v0 e$ @8 \# m& qint I;
  ~1 j7 }& O1 H, g' z5 V5 |for (I =0 ;I<1024;I++)
+ l6 t' k' A: p1 W& Q" k9 d. X*(string2 + I) = *(string1 + I);
, M8 q% X5 N* g0 Y2 X5 U#else
; ^$ O- C7 Z! n/ |9 y1 _6 ^#ifdef _ARM_
5 \" {  \' d; P7 \__asm
{
, t* f, j1 }- O5 K& |; D7 b8 s/ ]0 }MOV R0,string1
MOV R1,string2
5 e* u, h2 n( q" KMOV R2,#0
loop:
LDMIA R0!, [R3-R11]
STMIA R1!, [R3-R11]
3 c6 F8 i7 h4 [: l* K5 c0 t5 mADD R2,R2,#8
. s3 T' x& m( F  v* F; t) @& iCMP R2, #400
9 e+ P6 g, M  V' H; U: gBNE loop
}
#endif

　　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。

7 [3 e3 c. P" k  H8 J3 N　　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。