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引言:" E% y% u$ u g" 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。
0 l# ]( J1 o3 Y# {- T. H' d: j- {. ~* K, x/ ~! F( ]
第1招:以空间换时间' y0 c4 J; ^2 |4 _: l0 i% R
% I# f% M$ Y: ] j3 W2 j. ?* e- V 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。
+ t9 P6 c: m6 z$ w! G' l( E例如:字符串的赋值。
7 J+ @' h5 N. h/ K0 {' C$ t方法A,通常的办法:
0 o; c3 m, H+ G* U3 z; W+ r9 y#define LEN 32
6 c. ~; K9 U6 g8 y: [char string1 [LEN];( ^; _/ m6 H5 e) m* c
memset (string1,0,LEN);, q& C9 X( c; y) h
strcpy (string1,“This is a example!!”);3 i, ~! b" }, }3 F; T7 P( o
方法B:& ~/ b0 B- S) ~' o0 K
const char string2[LEN] =“This is a example!”;( H% l' Q, d+ X% V5 U/ J' H
char * cp;5 p8 `1 ~& M% @- @
cp = string2 ;
! S+ Q6 t' x- M3 ?5 C+ I* a- J(使用的时候可以直接用指针来操作。)
+ _# c, T$ Y' C! }1 v0 y& M" F# _5 u. E; ]
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 @+ s! Z, X% C5 r# K2 U. \, Q& _) K5 k' n/ @$ q: m% 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。
2 s$ Y' ^! ?1 b* `/ x: t( y- U5 ^! c3 S, T$ Y& ?- z9 V& G: D. g
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
7 _6 A5 g8 q3 l1 C/ I7 @方法C:8 I4 o) l; Q6 _; x' B" s" y
#define bwMCDR2_ADDRESS 42 x' }# V* x* _; Y6 `0 {/ |" T, Q, i
#define bsMCDR2_ADDRESS 179 }, X" g+ a) A W; Z# m- H- ~. U; ]
int BIT_MASK(int __bf)
4 w/ M4 i( s7 H9 h; E6 `) d- F{2 V ~2 X G) I" l' g
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);7 N6 H, z4 N9 l. C
}0 T8 o* a( x2 S, h, o2 `
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
$ X% C2 c9 O8 I" j+ Y2 b, B0 m{
$ L r: h- i/ F; @__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
5 e0 {1 ^6 {" n. F8 @(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
# \) X1 S4 o" F! |8 V3 a}
$ W+ `- s- m, w8 }/ F4 h0 z: {* [3 ^
) t0 E; c% q" C' ^+ V$ Q) @SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
' ^0 o* l! I: B/ Y5 e! i5 L* N方法D:
7 e- `1 S+ S: \8 c. z# k* x7 [#define bwMCDR2_ADDRESS 4
7 p; J8 B6 ]' G% a. ^( b#define bsMCDR2_ADDRESS 17
/ j: ]( [& }) e: X6 m1 Y m! f#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
6 u- v+ x; \4 j' J1 i#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))4 `: b# s- }1 [. ]6 G$ {; r" w6 r
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
( \3 t. B8 L: Q$ p* w; J4 M((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \" P) }5 i, F8 D: m
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
1 o+ k2 J) j6 m. f* i( V% _2 v7 E9 @ A
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
- Q" `& K& a4 c j& ?8 Y3 s9 {2 ?; v! Y) q
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。3 c6 B- i- Y( o6 c& \/ V
$ a. E( \3 \' p& d4 U4 Z
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。' N6 F% _+ j( R8 v
6 o( x# E4 g! J7 [; s& d4 k第2招:数学方法解决问题& Y$ M/ W. K5 c+ v, d# S6 u
* X4 d! {8 V$ [/ F7 z R
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。
' j: G2 B" O% \5 i$ Q* z8 Y$ v3 ~" F
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。
0 @$ I6 b4 u* ~: j# G) e& ?3 s: f" [举例如下,求 1~100的和。7 G, |9 |: s) S2 D! ?
方法E, Q' M! g9 ~6 W; C* a
int I , j;- d+ Y7 e% h$ v
for (I = 1 ;I<=100; I ++){% u- x4 q& B2 e5 v# l9 A$ g
j += I;$ X1 S2 t& X" F3 H7 k! F
}
5 J, P2 A: b+ `0 P( d9 |% k# |方法F
, A- T$ N& s" f+ T$ \int I;
# Y2 J. p5 X9 j. N$ o/ vI = (100 * (1+100)) / 2
/ S' K+ P4 S( ]7 A+ |
, O2 T) A$ d6 W+ j# b9 V" X2 }6 H 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& ^0 W' Y$ w- C: l9 `
2 J& V- Z1 K U0 _2 B* J第3招:使用位操作6 b5 i6 e, C, d" _
& V% h; s" K: I0 e$ l 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。
) B; ]0 r6 {4 y- s- m
1 `+ Y8 C9 U) \, T( b# ]1 H 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:+ }# z2 P* C2 ^6 p) H- x
方法G
! }. W0 U) _: W* gint I,J;
) {/ T$ p1 L( G" y: dI = 257 /8;, w h& W) |9 O6 m# K7 f# w$ D
J = 456 % 32;" b1 x N5 v: C+ D. R
方法H
{) o# _ i) Y* {int I,J;8 S' Y. e& l6 T" d/ ^2 |. P [
I = 257 >>3;; b$ v9 x# v5 N4 L
J = 456 - (456 >> 4 << 4);2 s, l6 Y1 r9 m6 H1 B
. P0 D/ q) l7 N, d ~8 R
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。
6 k9 C$ ^$ Y1 H1 r: A6 N" E8 n4 K5 y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。3 J w7 `7 Y& C' o
5 c$ j/ M/ C9 o9 W& B$ D, k+ S第4招:汇编嵌入" P4 I: _- n, w" X
) {1 I0 x/ K [# z" w
高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
6 u& @$ k6 K2 _
8 ?! x7 S1 M1 ~8 x. A “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。
2 Z4 Y% T. r0 B/ n# w( h. H: J( L+ v7 K& X/ }; L0 n9 ~
举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
: b, `2 }0 H5 m4 h( z* Wchar string1[1024],string2[1024];
; H* r7 C7 X2 b4 |, r; d方法I
$ i' I* O( n- U: ]# U' P6 Qint I;! V, _ l# q6 Y# W& \
for (I =0 ;I<1024;I++)
( b* b' x+ a% l: v" e7 `*(string2 + I) = *(string1 + I)
1 P$ Z/ d: L! @2 o( |& ~% l方法J- s( i5 _0 ]7 c% @
#ifdef _PC_ U3 f( Z0 x8 c9 J) V" N
int I;
# k9 }( ~# g, j, r8 v0 t+ p& Ifor (I =0 ;I<1024;I++)9 y! j' {, \; l
*(string2 + I) = *(string1 + I);' ]2 {; L+ u( p' G
#else
6 F0 u, j- e9 {$ [#ifdef _ARM_
& g" K, ~# \. t& E__asm2 p" F* N) g7 w$ k/ Y
{' X# B- z( q/ k1 B) d7 g6 }
MOV R0,string1
; J9 S! Q; r" A. H7 GMOV R1,string25 U- ~( K+ @# a, e
MOV R2,#02 ~, C0 W0 N4 t5 k
loop:' j8 ]! W4 f% o# q$ U
LDMIA R0!, [R3-R11]
$ X0 I9 m9 E- L# d+ p/ j$ hSTMIA R1!, [R3-R11]: I. I7 q( T) C. _$ q
ADD R2,R2,#88 \8 c3 C f+ X u8 Z$ D: Y
CMP R2, #400
0 P% n& F- G, D8 `4 d" uBNE loop
9 E# W( i1 h8 G8 b4 H/ w! d}
2 R( s; G% z" o- D: z6 a% k6 V- ?/ F#endif2 N6 V, J: `7 G0 d, |
0 n+ l5 q: q4 y1 N$ p6 L; q6 o 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。
9 l8 z! Z3 X# Y% C" Z# ^" X! o5 M& r, D# W9 l
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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