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引言:
" ?* A! X/ o: E Y1 T: J 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 r( ]' d! n% |
7 u6 j- Z; G( [1 J, }+ f& E第1招:以空间换时间& E& F# p# l' A/ _+ [
# z. u4 j6 h: l 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。
* z/ J8 c5 R- r5 r例如:字符串的赋值。
+ T: a: K- u! ]2 ]; K: \方法A,通常的办法:
* T1 C" v6 c6 m% E( E! s& b#define LEN 32/ h! F2 p$ ^2 V
char string1 [LEN];
" P2 N* D5 J, q5 R$ v2 x7 Kmemset (string1,0,LEN);2 T2 N$ P% j9 D4 h3 Y% L3 d
strcpy (string1,“This is a example!!”);% S* d% [4 c( [$ w
方法B:$ P3 f f: E& S; s- V9 d6 s
const char string2[LEN] =“This is a example!”;5 `9 m9 _5 l( I% P0 d& t0 `
char * cp;6 D6 x8 ^4 L2 J
cp = string2 ;
& G; F0 F5 n+ O) z$ ]4 B- d' N- s" T(使用的时候可以直接用指针来操作。)
& \) K& i2 ~- ?, k8 H! [, B5 c5 b9 R' \' y4 J9 [$ ^
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。# T( L4 D" r+ g- X' G6 K
; m' Q r8 d! P% L
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。- T6 X- u- i+ s6 Q6 \1 h8 j6 L0 Z$ _
) i- P/ r% G" w. K% H+ A 该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:3 F2 ]+ B3 l, I; g
方法C:6 c' k8 a7 l- z2 }3 `6 ]( ]7 @
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
- ~3 e6 U8 h. @9 @6 y, |# j#define bsMCDR2_ADDRESS 17
, d6 k0 N* r) b: M% u4 K2 Z4 b( ]int BIT_MASK(int __bf)9 t$ X& x. y6 i4 i/ N
{
2 Z% F- \/ [$ c/ `' Sreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
H9 G* r ]" a7 A7 W2 i" `}
, r) z6 f! Q+ p; C: \void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
; E8 x; n. b3 N# ^{
3 [( H, D: Y2 L4 K; A! j__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \8 C z8 W" V% v% `
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))- k8 B$ b+ F( P& C C4 a
}$ I+ W7 g5 @) b5 s" F0 t1 q
' P! O1 p; O1 cSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber); U, i# f& v) S, W
方法D:5 V N% E) b4 P8 G1 ]
#define bwMCDR2_ADDRESS 4, Q1 U& a& n# D
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
& V# w8 r5 |1 d, k3 u8 u( B m0 r, ~#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
' @+ [9 x5 ], ~#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
8 f {7 W4 b2 l5 E% F#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \! S+ e/ \0 v' Q0 B6 Q* ~' g
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \$ F [: {8 y. V+ k6 p
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
1 l G6 l& o3 z: W4 v2 i) |
0 V. V( w1 H* E" }! ~8 A6 l" ]SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
1 M/ m7 W5 l$ ~* J3 o' S6 V" W' E! @7 I" l8 d
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 u$ j- W% i" @# t! Q) B9 Y5 C T" R
* w3 t. j$ E$ T9 e
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 j; U! f, q& S
1 `6 N2 ^) U7 u" {! X第2招:数学方法解决问题+ d+ r* b' T6 i& H6 \/ W. @# |
' s+ v0 `4 h7 E# Z" {) `/ d5 @0 i
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。
5 d* J3 o% D7 n. [, s. n
1 i9 s6 p! ^" x 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。
$ {* i, L( b" B; D0 m举例如下,求 1~100的和。( l9 h N) b' a" D3 T7 a1 T6 F
方法E
1 b# f8 [) z: w4 B6 Mint I , j;% ~0 A! h6 q) y+ g
for (I = 1 ;I<=100; I ++){4 z9 S* ^+ y/ C( O; p0 K
j += I;
1 B- B- \2 u* p}" U& O: i1 z3 S1 ]9 s, {
方法F
7 ~5 g w+ F: R2 U! v0 q( i; o7 bint I;2 s1 Y5 I/ k$ S3 |, F) w
I = (100 * (1+100)) / 2: s: J F6 X! ]& R6 J( T3 O0 _( X- x. ?
2 O( E* a; ]; f: w0 k
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。( W+ \/ I! `! c$ ~; O: U
/ m _; ~# A) o+ G; Y+ m第3招:使用位操作
# |' k8 W. ~. ~8 q9 b' Z( B: H3 t
, m( O/ o% _3 W- e+ W, T 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。2 J+ D8 \* }0 F+ \6 Q2 u
) }% R$ f, w: C 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:
1 ` s* x0 O. Q' d3 r方法G
a. w8 M+ t9 j& }; Yint I,J;
1 N2 T( d$ V) fI = 257 /8;3 K! v6 K! e0 V8 {4 H6 l
J = 456 % 32;
) b' b2 r: v! G方法H
' H7 \# E+ d- `6 }. eint I,J;# h' V/ T& S% e5 Z, v c% g% Y8 M
I = 257 >>3;7 w# c, D4 P# A; z
J = 456 - (456 >> 4 << 4);! m" w; {* Q$ [% r4 C9 E
( l3 `" s- v, X, l6 K. `: e 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。( K1 r, X' O y5 v1 S! h
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。4 d) D4 T' e+ p+ L8 }$ E _$ M
8 c/ W! v! H* c0 k9 u! O第4招:汇编嵌入
) S6 n6 G3 I' R$ G
# P* H: c$ e, o: G 高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
+ g( V3 q) o; W
- N6 o! U4 N. A; 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。! O8 z, ]) k" U& y
1 c; @( | g. G8 K! p
举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
. T: y# W* P. |# W: T6 Xchar string1[1024],string2[1024];! Q' U( D& ^* N7 K
方法I
: [* i% t7 h* U1 W1 ]int I;
7 P1 J1 S1 C) }( t' z/ Yfor (I =0 ;I<1024;I++)2 y& r0 b# h9 S/ n. \5 |2 x
*(string2 + I) = *(string1 + I)
' [! J5 O) S- A: }2 Q$ d( I方法J
5 a: [/ ?* B' I3 f5 W#ifdef _PC_9 @$ R# t& i7 M8 T2 F+ U: Q L7 M
int I;% a* Z t$ ?& T9 }
for (I =0 ;I<1024;I++)4 H# ?0 X9 m2 @7 B
*(string2 + I) = *(string1 + I);
) V' Y& E1 a) ]( p7 n#else; B) N3 L& t( m: v4 E
#ifdef _ARM_
6 f3 [) j+ k6 a' w' m4 c: e__asm8 \4 E. O8 _& U! f- E: F
{
' Q' o# n6 Y' W0 AMOV R0,string1/ k/ ?6 z% N, i( `* W8 G9 m) y2 H2 A8 b& r
MOV R1,string23 l6 z$ i% J5 S7 o0 T. ^8 {% V7 \/ e
MOV R2,#03 Q/ n2 `1 {& e+ ]7 a- c, P; ]
loop:
5 c( O: @; ?$ X" w8 p. eLDMIA R0!, [R3-R11]8 F, F F! u( T5 T* g2 _4 B/ P
STMIA R1!, [R3-R11]
r) r2 N! Z. {9 }ADD R2,R2,#8# t/ C0 d N$ p4 X+ a; Y7 v
CMP R2, #400
# ~# d& { T& q% q8 [0 OBNE loop' b! E4 e8 C- k( v" Y. S8 l( Z! Z
}
: ~) W0 S. E3 B" T& A1 v/ s#endif% F# ^$ N8 y6 b) j+ w
A7 z( ^! V* x+ 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。
: q2 V0 L: l1 U P
T: q4 U9 P, T* R 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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