|
|
引言:
% q6 }9 h1 p" _. R2 O 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。
* j* p: Q9 r3 [( g3 E& o ~8 U( ]
第1招:以空间换时间" d3 f; O- s; p; O9 I3 R7 X
7 K f" X( }+ e% V* e- n 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。4 t: z; F3 O! j( D/ N4 L/ e
例如:字符串的赋值。
# P5 F5 H; {% P7 W- d' Y* u方法A,通常的办法:" T7 y$ H; e$ I2 r3 o; J
#define LEN 32/ u9 e+ [7 q" V2 ?7 y
char string1 [LEN];
; e8 d5 y2 J v5 b" Q1 hmemset (string1,0,LEN);
. {' D& @/ ~$ Xstrcpy (string1,“This is a example!!”);. Z* B7 t5 d1 i1 W8 a" O
方法B:
$ m& A9 \- W+ B& j9 C5 F0 K8 J, Jconst char string2[LEN] =“This is a example!”;7 H' k, [8 L. k V
char * cp;
2 @: N1 M) l: Hcp = string2 ;
: P8 W: a8 q1 T. Z- X0 p# \) V(使用的时候可以直接用指针来操作。)5 R+ M+ x Y5 i
% c' G6 O5 _7 `; f2 F 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。
; H) a7 s" G/ Q6 i) P
; b! J: J' |+ P5 S 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。' Q/ i- x3 X. P' K H e1 n2 @* _" ^' d- Y
) h9 }+ {3 P+ ]0 |9 j5 k8 L
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
2 p! o: |/ p, K方法C:. K& T. [" f' P
#define bwMCDR2_ADDRESS 4& {' m0 r; a0 O! U2 `5 V( b
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
4 L: b' Q/ V* b6 k. l2 nint BIT_MASK(int __bf)
* y s0 m/ Q, k6 f$ K{, F) i* z- x. a! P: k
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);7 B* ]9 G3 J" x( R! B' J# ~( h
}
( D" P1 j* _6 evoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
( q7 y" Z8 M3 Q& a+ S{9 x! N: A8 [# e1 u. t: B
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \; {) k7 F1 S( ~( v
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))% N; Y/ e/ k7 m; @# ?
}
' z( W" ?- d0 ]* G4 C V( _" M! X
: F& d5 k; ^9 {9 E0 T# Z) [SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
6 u/ m: B( V0 b" x4 [$ K$ w方法D:
3 T# B# {1 s9 Y5 v" ]2 ~#define bwMCDR2_ADDRESS 4
5 y: X+ a/ j, n8 ?& ?#define bsMCDR2_ADDRESS 17
! Y0 ^7 a3 \! U" @7 {9 P#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
3 j/ L! X- X! b+ f8 {#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))( W/ t8 ], G, K
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
/ A3 c2 D9 X- b((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
* P* K' J% k+ b) p4 Z(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
C) h! w7 e5 V: ]3 g9 d
3 B' G1 d6 K4 |" v# C5 H2 F7 |SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);/ f. G& e. `+ \% L) M4 M$ u. C
) l% ?3 Y7 H {# g. r 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。
! o" i6 }- d# |
0 m4 z# M( h4 s8 s 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。
( \0 t' e# `- _& V7 ]8 y# N7 n* s: K( z! u7 }& N `- v
第2招:数学方法解决问题' s! g% Z; D/ Q7 x9 r
( n8 P7 }6 f1 _% c' K( B- b8 J6 o! @
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* K: g( p+ Y/ q2 ?& F* J6 f6 M+ S
% K9 X" ?6 c9 i+ R; ]7 Q 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。
, g1 g6 D0 y# v, F, \2 o举例如下,求 1~100的和。
' g+ ]( { y2 o3 v r4 J方法E
$ \" Z V4 a$ lint I , j;" C. Z: ~5 \& P% L
for (I = 1 ;I<=100; I ++){
' @9 Z/ }* I {6 lj += I;! n6 S; G$ V: b- s+ O6 s( m. U
}* S5 `+ I8 x {( U- O/ H
方法F0 y6 T v c, P5 w) q3 s, R
int I;
8 S9 f* b0 b' J0 O' OI = (100 * (1+100)) / 2
: |- F- B; e% t4 W4 Y, J1 q- K5 {1 [' B, @/ h/ Q' Z; R- q
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。
& O; X4 k% \9 h* p& r" r9 q0 p& _; C2 |9 J! N$ K% G; }
第3招:使用位操作& T4 U' k/ ~1 [$ }7 M
0 M+ B, Q% T! _ y5 k5 z0 @
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。
0 e" k8 P L2 X2 L- y, w* o. B. J P8 q4 _, r, 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:
# Q! L7 N5 N; D" d# T1 O# Z方法G0 }* @3 z; d" }6 M2 ~, v8 w5 b
int I,J;- D9 R' ~% I$ \
I = 257 /8;
' Y: F3 K& H1 P* u0 f3 N: bJ = 456 % 32;% b+ l% } Y) l; H" s& A i- T
方法H8 J+ n4 W7 j9 M2 p% U, | _: \
int I,J;
# E& L+ `9 U) P% Y5 U- y" lI = 257 >>3;* m* A6 D ]0 l2 G+ s8 b' |
J = 456 - (456 >> 4 << 4);
$ i- ~" C4 `2 ?2 I, o- c, |" {/ W( q: s) X. 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。
: ?% `2 ?( O! u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。
. l8 x( Q1 V7 A: G* E& g: ~3 J! u- L) a9 s
第4招:汇编嵌入 \4 F; B* c+ I- G9 l- E% A
/ k6 ?* ~0 C/ ^8 @. M: A* L 高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。" b" A( a5 C/ A! L
8 \! z( w- ?( h
“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。
; e# P9 \+ t ] Z$ z. n+ g) e1 N+ f: Y
举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。8 j2 N9 K ]' x; P
char string1[1024],string2[1024];
; T( M* b6 G/ Y6 b, J# j; u; z, e方法I: E2 D U4 d1 a2 D9 u+ t
int I;
3 \ t$ T/ o. Y8 y/ |for (I =0 ;I<1024;I++)
. p+ z# k5 }% d% e*(string2 + I) = *(string1 + I)
/ j+ K1 R; D) K1 e方法J5 L- @5 l1 l1 k0 ~) c& Z* A- }
#ifdef _PC_: j, }8 C$ F" S( u
int I;
' d% h7 G8 q, E* r+ efor (I =0 ;I<1024;I++)% {4 m6 I! j2 k0 S. z) Q
*(string2 + I) = *(string1 + I); [3 M& Y6 m, D0 L/ w9 q3 {" X
#else. n- Q. o6 w0 h& V# p: F1 G2 A
#ifdef _ARM_
- S. j7 F. L2 I/ m7 U__asm
; _% Q0 c4 \9 H# T4 r$ _6 L# C{
1 ~1 s J# e" w$ q6 K) l; p5 mMOV R0,string1
8 F" d8 j6 z) W+ }MOV R1,string23 g" Y( c5 O0 w
MOV R2,#0
! C. u- _% h" O. N- C" S3 r" nloop:
% I7 Z: H: `2 _ yLDMIA R0!, [R3-R11]4 O+ q# Q8 z* U" }0 r; z
STMIA R1!, [R3-R11]8 e4 G' ~" r0 w1 T6 a9 m* K4 t
ADD R2,R2,#84 k, z$ `" i' [3 Y7 u* W
CMP R2, #4000 k8 O; C2 T& }/ r& e [( D
BNE loop
! q( @4 Y9 T2 ]; L3 N}. d5 z: y0 m2 {, P
#endif
+ c3 ]2 Q9 t& r/ i$ _; h/ X
! _; G. O: U# g1 Y: u 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。- |4 h" s7 j* e% j: \+ i4 p4 @4 L
" {- g3 Z% c. o5 d 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。 |
|