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引言: ?! X) }: c5 S6 W& v$ _" T
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。: P' Y, Q1 O1 t3 r* G' v; v Z
5 V# j! ]/ m+ \. B: g e' }4 T) m
第1招:以空间换时间& y: i7 l& p1 T8 e0 G3 i
1 M; z% |2 `2 O& p) J
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。
5 H7 [5 E4 c( n0 H/ ^3 `9 Q1 g- C例如:字符串的赋值。' J' S& Z. S# B3 R \3 F
方法A,通常的办法:
7 N" v8 Q' w- H' b; w#define LEN 320 Y8 [* l' R5 a% W
char string1 [LEN];
) b9 T- `6 Z5 g8 }* m9 P7 |: smemset (string1,0,LEN);/ G5 _) l( e" T7 A2 t
strcpy (string1,“This is a example!!”);! X& F3 b5 h- b1 s0 {8 W3 s( _2 ]2 q
方法B:
0 u2 \ K: R B& n/ t4 g& @0 q$ sconst char string2[LEN] =“This is a example!”;
, r$ B6 Z9 Z0 K9 Q* Vchar * cp;* Z* W3 r0 K0 {, ?/ W- s
cp = string2 ;( U# _) L8 Y! B/ U( M/ U
(使用的时候可以直接用指针来操作。)
8 h k8 U2 Q! n6 i) k$ u; p3 P9 e: q6 Q+ J
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。
0 U4 ^/ k& i2 R2 _+ _% F% g3 o4 w) m( i$ m) a1 ~3 O- d% J \
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。
6 d1 d& k3 j% d4 K* g* v5 L) e2 t
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:2 ^7 t9 g: v1 l' Y4 H: ?
方法C:
' T1 }9 M- e% O! C#define bwMCDR2_ADDRESS 4
+ \' y4 T( G, p$ k* D8 U5 y9 P- M E#define bsMCDR2_ADDRESS 17
: E( z; |+ ^) G4 i. h- zint BIT_MASK(int __bf)
% }! a6 E" F, E6 P" \8 a7 w{1 z; g5 d' v1 Y+ ~$ D$ n
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
% U+ _3 k$ z, A+ d8 H}
- H2 X5 [ o, @3 Pvoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
; Y8 N7 e9 ^ w* ~ m{9 \# h3 U$ z; ?' p
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
+ p' w! F" o3 f8 ^" ?(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
. }. I8 q. B0 k' H1 A}$ O8 B1 o1 t. c9 `( j
6 z& l! N4 P6 K. U, fSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
" e( A6 i+ z% h3 t) n7 ~8 t3 o方法D:2 U1 R% {8 e$ j7 l' c5 h
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
9 z q& a7 z6 t# Z: Q) T' N#define bsMCDR2_ADDRESS 17$ ~! j+ ]* s, f0 m
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)$ e, i) i, A( C$ V R
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))4 l {' K; a8 G
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \* T% ~" h* @4 E' w% C' B, w
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \ L; c/ y" Q# r$ _, \! m C
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))" k( ~/ \+ Y: e2 [! V! L; ~
6 I' m/ ?; H: F
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);! g+ O1 M5 O3 y% Y$ ?
& j& n' F: F8 p
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。
) g! u# `1 K, H, J5 B
) _+ n# n. m+ u: l1 T6 y 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。
( x1 [. ]8 Y4 e* q: o
/ G& ~( M- M" a+ F9 V* ~2 v/ a& c" B( m第2招:数学方法解决问题8 @, W! ~7 j' f/ I' k; ^3 b, v' l
5 a4 U; [" \* K# g 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。: ]. ?* _6 n; g6 \
6 y' @; H7 F# Y 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。+ q' S6 X8 { H) N6 L
举例如下,求 1~100的和。
1 I: C% h! T7 T* n方法E
2 x Y+ Z. }" G# N% Xint I , j;
4 G8 G% s3 t! I2 V* Gfor (I = 1 ;I<=100; I ++){
6 {1 Z& {- \2 J) K6 X% jj += I;; E- n' u2 X8 L/ t
}
. y. P; H' [( M" ^& X方法F& F/ t3 u# Q e
int I;
) r" T* Y& h: X! w* B5 pI = (100 * (1+100)) / 2$ |" ` t8 h' W8 U# O9 `
, X' ~: z+ Y; @2 @4 m) s5 c; e* }8 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。, `. r6 P: E& ~/ ]6 p: b
g# i+ c9 J. I0 s# S第3招:使用位操作7 ~: ]* a0 K% k/ B4 _( t
2 B% U( Y( e/ |8 Y. `: b
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。
4 h3 @6 v( L' |- M& k. l
1 j7 C y9 U4 ^. ^( K 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:
+ R5 T: A+ ]8 [; @$ ?, d$ z5 k s方法G" V6 C; ^8 c$ C5 }8 y
int I,J;
; D0 k6 |$ d$ v( P; \/ Y2 o% hI = 257 /8;
5 e- A/ t1 c" W* GJ = 456 % 32;/ M% e4 e1 N7 T& t$ Z3 X! |0 @- {
方法H
7 w5 p: l# r* | ?1 F- Y, A$ B9 Vint I,J;+ A1 x4 c# E1 C
I = 257 >>3;
' i Z& a4 P: f5 W2 R$ j4 fJ = 456 - (456 >> 4 << 4);7 b' h& o: [! O4 \
* @) g% s9 b. X/ | 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。
$ m i( E5 |. l: t' v6 D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。
: ^" f6 T: r% S- B! A8 v% V! a# j4 ]5 J' g4 R
第4招:汇编嵌入
. |+ S, M# \- O: n. I
' ?' f. N, Y7 F5 {5 S 高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。$ x2 `2 F8 m- M
/ k2 i& \3 U% d! X0 C
“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。
$ O+ X$ O' G' E7 z; K3 f( ^+ h T
7 c& o% h- n7 L. f 举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
# n+ c4 s P) \) F1 Schar string1[1024],string2[1024];
' _6 z5 E$ v4 D1 ?9 o5 m, b方法I) B1 k2 q9 Z# V0 _( F
int I;+ z' g2 ]; D; Y9 K4 V) u6 h
for (I =0 ;I<1024;I++)( Y' Q$ r" L4 E6 ], Z4 C+ u
*(string2 + I) = *(string1 + I)" o) d7 o F; ?; u& x" W9 c$ g
方法J, T# H- e) p0 {, A
#ifdef _PC_
- t- i |5 o+ W Q: i; `1 cint I;
+ b; Y7 ^5 C* t# ~* gfor (I =0 ;I<1024;I++), N3 @& G+ h% a5 }5 _
*(string2 + I) = *(string1 + I);/ L! r( X% e- C0 D( Q7 E8 v" [9 _
#else9 r- g! ?( r: o C. d
#ifdef _ARM_& s1 ?( m m5 D' `6 i
__asm
. R2 o+ D% x @{3 k7 c# _+ X6 P0 N
MOV R0,string1 j4 E3 C3 t+ g- v5 h: H
MOV R1,string2
4 Q/ y- {4 S0 r$ QMOV R2,#08 ?8 ^3 S6 U+ I
loop:8 D6 J1 \1 Q( r3 k1 C: D6 K
LDMIA R0!, [R3-R11]
/ r3 q) K7 |/ b3 O0 p" f0 dSTMIA R1!, [R3-R11]
$ j+ @* T4 S+ U! H4 gADD R2,R2,#8* I2 Y" Q) u5 V. s1 G- n0 M
CMP R2, #400
1 S( b6 V) D; L6 eBNE loop
- p8 v5 D0 h0 g$ D, L}* x/ Y$ P" b7 c0 @- h
#endif/ N: R' j2 H4 F/ j
( T L* g |. S& ^ `# A
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。0 d: _* f# f. N. Z7 v! a1 k! `1 t6 U8 J
6 K1 H) L, H6 l7 ^
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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