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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:  c' C8 y/ @& Z. p
  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。) U6 E1 o4 T- P0 ]! [& R

$ a9 q0 m+ Z4 e" `3 |第1招:以空间换时间4 ?+ E: D& c! [  ]/ H+ R
# m0 ~( v  z& j# w
  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。0 I$ h  q; w& z
例如:字符串的赋值。1 I1 z8 l5 \2 L- e$ `2 Y* \. I0 I0 X
方法A,通常的办法:' W" N, z5 Q8 F3 d9 g
#define LEN 32. C# t$ _8 `; P
char string1 [LEN];
6 U! _% f& F/ ]& {1 Z' f2 Smemset (string1,0,LEN);
' l3 f1 x+ E: e2 P) jstrcpy (string1,“This is a example!!”);
  Y: b( X, S2 @& ]% M% m方法B:
: g2 o- E4 Q- t( M7 Gconst char string2[LEN] =“This is a example!”;
( ^9 d& f$ ^  r" r4 Mchar * cp;. H# e7 _; k" ?  D+ s9 s& x6 b7 D
cp = string2 ;2 o" l3 ^# W" b2 K  g! b6 E
(使用的时候可以直接用指针来操作。)6 o3 ~% p) B2 |8 Q9 a( e3 }
- T5 ^, _: \4 K1 c% I# T
  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。& d. r( u( M! E2 V0 D7 Q/ [

+ M7 I. ~7 d$ Q8 u  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 q/ N7 B* x( x0 N+ f8 P
3 z* q3 H6 F# R8 ?7 T: a  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:- v' v( T3 w1 q7 A
方法C:
) R' J) H7 ]* Z#define bwMCDR2_ADDRESS 4
9 g0 l- y7 j/ m- ~% g% `#define bsMCDR2_ADDRESS 17
2 }9 V, R: r/ L' O2 o  o/ Kint BIT_MASK(int __bf)
; c/ t0 g/ I" Q, i$ V# N* k{
: a6 l" w0 b& Sreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
& v' l9 j- y0 L2 L9 p' o' e3 k}
' }- U( ^! S  r0 mvoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
0 @9 P8 G7 N3 h{/ G1 v# X7 P( L  f! r" x
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \5 M) S/ j. ^9 r$ ?2 g9 G! {
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))5 J( P6 ^0 y- _! n$ w
}. v( t0 a0 A0 u2 M, h
: L5 v: g9 y2 M! K
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);, c* n6 f5 C/ R; H9 A
方法D:
# Q7 h& Z" m. W5 m7 Z1 |' M; _#define bwMCDR2_ADDRESS 4# q) v7 ^% a! A+ E' D& b
#define bsMCDR2_ADDRESS 17! D* t& n: R5 o- a( G
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
( z3 j2 [  M2 o1 d6 k#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
* Y3 k0 \# I: C& ]: Z' M+ L#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
, [' H3 w. G% P) R* D- X0 |((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
, y* f1 W+ O% R% R(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))+ h2 e. L9 c  z( A

  M( W1 s7 P2 zSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
( g& r8 |5 H) l  d  Y3 @' l% y, d
( d/ [8 |" W! C) b3 ?4 \4 @  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。# v: ?; u2 f: O' A0 o- b) |

" D% I7 x6 r$ ~$ e2 c  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。
) J. U* U/ z( _5 p: A$ x3 m( e# H4 G: N6 F  D, m" U8 I
第2招:数学方法解决问题
' K  K( r* ^( M; N; }% O9 C* T) b. [, n
  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。
* M4 l8 {, x6 w& Y5 s
, p" K* ~& A. @; M4 u  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。  ], [" k& h4 `) g- z2 H" l" F
举例如下,求 1~100的和。; H9 F' [& g4 h/ r' G9 _7 J
方法E
$ D' ^; C9 \% B* O0 t6 \. Y# Uint I , j;
/ W2 E$ q, C0 }/ [) F3 ?for (I = 1 ;I<=100; I ++){
5 G6 U: ?- l+ g$ Pj += I;+ Z/ c4 u4 [8 ^" g$ A0 j0 x
}- h% }* t* F* V# p
方法F
- y% G/ x( I# D% n. Cint I;
- T/ @  F; M7 \8 ^* o! U; k) jI = (100 * (1+100)) / 2
) J/ E9 d& y- B8 @: l; K$ H+ h) c9 _) `/ X% n+ [& G
  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。! B  b8 T" S2 @

. M4 v. h8 w" W. j0 y第3招:使用位操作* u3 W, W2 N& l! B: s) s; M
& ~# _2 Y$ _/ G# g% O7 s" f/ a9 A; s
  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。
5 Z- n$ a( X" t# ?6 l
* j' l) B. m! L( E  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:
% K- S+ R1 j' j7 Q! V! {) M6 O方法G& R2 c; V2 f! ]+ p
int I,J;
; u6 Z0 Y( d5 t6 i1 P+ _7 |I = 257 /8;
' q3 m( o9 s4 q* WJ = 456 % 32;
4 T% u+ ^. b( |方法H! E! ^+ W, y, O: I" B7 {0 c' a) n& ^* i
int I,J;4 I( j% \4 m9 U4 |( v' o0 d- x8 k
I = 257 >>3;
3 Y; C8 \& I' |' }J = 456 - (456 >> 4 << 4);
5 |! G6 J" M& L" A- O9 T4 v, [7 x) f& y& t5 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。  A: R3 C; o6 V) f& J1 E" J+ M
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。( I4 L2 ^, q3 I

9 e/ k. G7 E+ i5 [! Y: t第4招:汇编嵌入0 D. \2 f! |1 n: N- P

8 f  C& D# Z( b8 |8 o  p" C  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
9 A, [5 Y  @2 g7 V0 C4 q5 f9 _* q
: C. {3 _' l# g. |# P0 a" Y0 |  “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。, P8 `/ V: W4 y' ?; l* e
1 V) X& L2 I) Q5 h$ z% `4 @5 n! Y
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
- N5 l5 S4 M6 Vchar string1[1024],string2[1024];# I0 I" @  V1 g& s" @+ m
方法I& @1 ^% I# Y) l5 ~0 A6 p
int I;, o. ]) i. Y+ o) Y
for (I =0 ;I<1024;I++)
- J: }2 M2 [  C. D9 ^( l+ K*(string2 + I) = *(string1 + I)
7 o' ^2 E- z8 v3 x方法J! b# @5 U" U6 l/ V
#ifdef _PC_5 A/ q2 q! m8 T4 S
int I;
- o' t2 Z0 j$ G. {for (I =0 ;I<1024;I++)
$ }% [3 ?& A  k+ Z*(string2 + I) = *(string1 + I);2 I5 H  |8 F; I; O, H) i! s" }
#else
0 I% n& T- h! F3 u. Y* N#ifdef _ARM_
3 q( F5 w) N- d' ?) v7 c% I2 H% o__asm
# p% v2 p5 S2 W9 }1 g{
6 x# G& p2 V& i6 c: rMOV R0,string1' [1 z4 b; \; F1 U1 c) _' t' u. j- _
MOV R1,string2
) F! `; p6 k: b: ?- p  DMOV R2,#0; _6 s9 F+ M: N; k7 E( i
loop:
6 N( u% E! r- R6 y7 ?) I. G* hLDMIA R0!, [R3-R11]
1 b+ l( m" [$ J3 mSTMIA R1!, [R3-R11]
5 M; {% f# K, D! x5 v* PADD R2,R2,#8
! K3 f: ^9 X: P1 Z7 K8 S! g# I5 jCMP R2, #400
1 o# y, H' V( e& o& ~" XBNE loop
! f, v- {! U9 ^  Z& t5 c}
3 I, V) B6 E! K  k1 f#endif/ {- A; e) H9 r

" i3 g1 Z5 B" U8 x; C8 a1 Z2 z3 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。
3 a# r% L# U  j; U4 L$ U% h# [) j9 i8 T: }5 E0 q2 @! M7 p3 [6 J
  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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