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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:
! d! W! Q0 T- ?8 L  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。
2 V/ g$ _( J+ L" g' X
2 W# d: W, S4 c; k: A* {第1招:以空间换时间" n; Y7 _/ k5 x4 v

- L( x7 k; r$ U1 A" Z6 \- b( I  G- x  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。6 O7 C* m2 s- F1 |
例如:字符串的赋值。, d" r/ V, _, Z$ X0 e  A% T
方法A,通常的办法:$ _' _+ G6 u' w. C# b5 Y
#define LEN 32
( s; `& a7 I; \4 X& [5 h4 ?+ Q$ ~- Y3 Kchar string1 [LEN];
4 c5 k- b' q! m3 J- @$ V! h) Q! mmemset (string1,0,LEN);
0 R9 O0 j, s5 s* y4 S4 Q8 [strcpy (string1,“This is a example!!”);
: h: w/ J/ t) J; t方法B:
" |9 \% m- I' A  sconst char string2[LEN] =“This is a example!”;# Y; n% D* @& H3 Q& ~& f+ i
char * cp;
" `' `  L0 g: M# y- Hcp = string2 ;
% M6 \) y% G/ @(使用的时候可以直接用指针来操作。)
, y, X9 D  o# P' K! e) s+ m9 N  _) @  N
  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。
! J  C* K# h  z) B, ~; b' P& p
& L1 g/ i* l, G  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。2 {  w& O0 @6 J' E
5 v. F$ P3 G% {5 x+ Z% [2 \7 F
  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:* d% `% B( T1 Z5 i0 I/ c! |5 i
方法C:" |1 N0 i& O9 Q8 C
#define bwMCDR2_ADDRESS 41 t7 e3 ]+ Y1 J$ {( j) q8 E
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
' h  X& z& ^+ M4 y4 k6 u4 `% @; hint BIT_MASK(int __bf)% ?. K" d, i  O  A
{
$ j8 K9 d$ h" Z9 d+ C7 Jreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
$ }9 w2 ^; \5 B0 }( }4 B$ R& ?}- I8 [$ ?& h  x, C4 I7 H
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
  O- b6 H$ E. t( ^. B{6 k4 K* n: l( P; _
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \9 u7 K  b9 g, h; G( O2 l3 s
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))0 e( h3 N0 r- e7 f8 w
}
. V) ]' w1 r+ C# |: @1 o1 ~- g" s3 d7 h9 r0 C6 r7 R& k$ q
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
8 ^# |* X" w4 i0 {4 C3 e; ~0 |方法D:- ~$ x5 p0 s: a! T: k
#define bwMCDR2_ADDRESS 44 F9 _$ q. n, n& W' `+ q
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
6 L3 @/ Y, b! V* Q5 V#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)% ^* d6 u  ?+ j6 V* d) A1 S5 A/ ^0 h
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))2 O4 K4 e" y' g, A$ `- M- c8 d
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \  k( n( d) |; K! g
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \7 s/ \/ F- h6 W
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))( }) g9 j; a2 I: z

9 P* L5 }# p1 I; a9 ^+ ^& w# sSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);) A8 O$ r+ d# ?9 S7 R% U' d7 |) u8 B

; P: i4 g4 r9 t) \# j5 O, G2 }  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。2 Y8 S; U- _3 a

" z: F6 d, J* g( b. Q  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。
& }/ h9 _3 w/ ~- k! v' L) ?$ D1 w$ ]% e" g: D2 W! c
第2招:数学方法解决问题
8 P- U, c7 i# X: V1 c# k4 _, f. E5 n/ S+ ~& F- ?* A
  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。0 ^# A' m% O& H
6 V% y5 ^  v& w& |+ Z0 @; o
  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。
1 q( K, I; J& t4 M举例如下,求 1~100的和。/ i8 w" N. m+ s0 r2 ]  W+ Z& d
方法E' X* G: E# x3 {  v$ p+ d
int I , j;5 `' Q  E& y; C# D5 s+ j
for (I = 1 ;I<=100; I ++){4 w+ q$ j5 A  S+ L8 K% L
j += I;
! h9 f! u" F- r, G& N5 O# {}( ^3 `# Z8 L2 {, Q1 S  s) T; K
方法F' Y" {( r) |5 q/ Y; O: E
int I;
# ^, R+ {: r7 F( F2 h  \I = (100 * (1+100)) / 24 p6 A4 r( t! }

+ `$ Q( _9 a7 S1 r  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。
8 r  F7 R* r/ j1 e' W1 e' d3 D: w9 z+ F  u4 W( Q
第3招:使用位操作0 m! A$ i) m1 f2 X
- k. B& P0 p0 o7 i
  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。+ T- B0 s7 d6 x

8 X9 y7 }# s! w' s  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:8 T- c7 c# M( w1 O+ i; G' |4 m
方法G# n. r2 ]/ R+ H3 @2 U+ V/ }& B
int I,J;8 E4 C2 F9 ?* L5 }7 P
I = 257 /8;) x% V4 p# W5 i* s. A' W% ?# m
J = 456 % 32;5 W& g2 r7 V& s/ U
方法H! |2 S  b% j: M% E' ?# A
int I,J;3 Q3 u- N) S! A  n! X, E
I = 257 >>3;
' e( J# M! s7 fJ = 456 - (456 >> 4 << 4);* X% ^6 V: q/ H; V; l. O& b) |& q
" R" N/ n- P1 S0 p7 c
  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 u. ]. Q3 A0 V5 H+ C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。
, E& A9 a; Y0 H' H( W+ W5 e- F: _) M0 p" O7 d3 U
第4招:汇编嵌入. F4 z* a  m+ U: D* Y9 {" G
* D! ^2 k! v! d! h9 R. s
  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
8 q' B1 s! _& \3 i3 v8 `8 e$ m- z2 Z9 i4 J* t; p
  “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。
7 u( k0 n9 y, N3 q$ z% `" Q0 \+ u8 s" u3 `4 S
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。9 U* O3 I: L8 g2 o5 r, D' }; t1 O
char string1[1024],string2[1024];/ E" I* I6 ?$ r( U' \
方法I
/ ?* L5 j) k& E. ^3 l* Nint I;
" Y# m3 ~/ Z* ~, Afor (I =0 ;I<1024;I++)3 @" |& g6 W( K& U+ T/ z% R
*(string2 + I) = *(string1 + I)
5 E/ T% w: K/ z0 J# e8 ?2 h, N方法J
, |+ m5 h  J1 d, h( ~  g; w#ifdef _PC_" M) D% u, P* x2 B! B% ~6 K
int I;
4 f" S. @  y7 w. w# Sfor (I =0 ;I<1024;I++)% o- B" x. @3 d
*(string2 + I) = *(string1 + I);
% a5 T" p( u6 l5 n; X  Y#else
) I2 q" h" C! [% g/ h" C) k#ifdef _ARM_
$ b, T2 S# t3 z7 R, l( ~__asm+ n* L# G+ p! G& C7 Y
{# f9 Y% A5 v) R. [6 \
MOV R0,string1
; w. b; b8 k8 d% o4 TMOV R1,string2
' b, I0 v* K" v& Y0 z9 A& xMOV R2,#0
% r5 q2 I, Q, T2 X2 X6 Kloop:
4 x2 M: [. r) N" PLDMIA R0!, [R3-R11]
9 S! N0 g  y6 f* r  TSTMIA R1!, [R3-R11]
3 q  i' C9 Y6 S# mADD R2,R2,#8
6 w% t2 O; T2 ^# P! o8 B5 uCMP R2, #400+ ]$ Z; R  Y. `, F. W
BNE loop5 |3 n& b$ X; Z, A
}' y$ T' _% ^2 a1 b: C
#endif
9 E5 I9 W$ ^' M0 ^. {, W
7 d. A1 Y/ k; E# x' o# c, m$ K* v# t  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。
, x' R: Q/ v; M+ v7 ]3 Z5 @2 g- [* C5 Q
  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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