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引言:
! k4 U: a. q1 [9 p) s' ]3 D 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 ^5 n8 y* M* \& O+ [- k6 z" c. {- k6 e
第1招:以空间换时间+ C* j# i8 a1 j, C
/ T* v6 `: i' 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。
2 i; Y X( S j) ?8 P例如:字符串的赋值。
" U+ t# f- E7 c0 ~9 }, o8 A方法A,通常的办法:
) p0 ?3 _% B6 q. E$ O k. p& Q#define LEN 32
/ q, F) M. _6 x" q$ Ichar string1 [LEN];' n h; j* j# ^; R0 B3 |$ k' O
memset (string1,0,LEN);
U# x3 ~& o0 ^0 k& g vstrcpy (string1,“This is a example!!”);' n3 e, D1 H4 w# ^8 t; J
方法B:5 a2 `# C/ W" c7 i: z+ p$ k
const char string2[LEN] =“This is a example!”; f, `/ j3 o& Y8 p: O& o" V
char * cp;: X, g _4 o0 H( O) M
cp = string2 ;2 b3 H5 u& N4 ]# g1 B
(使用的时候可以直接用指针来操作。)' @$ t" v! T1 Z: f* {6 W$ W: l- Z
+ W- o. D- {. ~
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。
: ?$ ]/ c2 f; C5 ^! L) q. B) m" w/ A
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。
9 d* T/ E& v. x7 }& D$ B% C7 g# ^+ r) g3 z
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:/ |3 r( E: l! G: \
方法C:2 x* |, r5 d' E9 [
#define bwMCDR2_ADDRESS 48 B6 R; z9 l; V% E' z( V( z9 q9 H
#define bsMCDR2_ADDRESS 170 v5 Z1 _& Z& j0 O% _
int BIT_MASK(int __bf)
5 c/ g" q s' n3 |# w4 a g! N. v{
. q: m4 \" b P3 ~return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
1 E8 ~6 k: F) v# y3 ^6 e d}
- }% j% F h3 @: {1 Svoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
' o$ v+ r. f6 g{
& f( u/ {3 J \3 ~" @# w9 ~__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \ j' ?2 B3 k% m
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
; F% U9 q9 V% m* i5 H4 x}3 j6 f# u( X: s6 O
$ _0 b. s6 ]) ~3 l6 F
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
% u5 j1 a. V7 x1 G7 k+ d方法D:
9 ]0 G& n6 F4 j. e( D( t4 r#define bwMCDR2_ADDRESS 4
- g1 T# W5 e# m- S#define bsMCDR2_ADDRESS 17! f% R' q8 y0 P8 d X% P
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)' P- Z8 I1 A F' F" e/ o' ?0 u
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))( Q' K3 S' u, d( D
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \7 I3 G/ M5 h* h0 W0 v
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
5 [, m' b% a9 I* d/ `(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
; w6 S$ i! U8 X9 k% ]; m: T
) B& |2 G: @/ l& z, eSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber); d7 o* B: x1 h) f# c8 `5 t2 S4 `
; [, T$ F8 a1 }: w 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。+ {9 e; \; k3 ^6 ~" j
5 \5 u. B5 L; y7 e% F* V3 F# E5 i6 j7 F
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。" U- z1 \, d) F5 T7 V! E
# e: q9 _8 `+ c第2招:数学方法解决问题
- n5 y/ ^- X" ?5 l& q* B
" u- g3 F6 p& H P/ 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。0 S3 n ]. U1 [: ^
! ~3 m9 V1 g% n X$ 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。4 m8 ~7 A0 ?5 j: i9 t! _
举例如下,求 1~100的和。7 }( O' C# q& r& o9 U% `
方法E
' F! B+ e, l9 T. ]( Tint I , j; A0 T# B% s# R/ \
for (I = 1 ;I<=100; I ++){' G& }5 n; [! P
j += I;, k! f- Z! p0 |% k: A" U) F- n$ W
}
) S6 k% `5 b2 \3 A方法F
1 B# a- @0 E5 Fint I;
+ J: r- v/ T+ Q, L; [; M( G1 hI = (100 * (1+100)) / 2
3 o$ i& @& \! G3 ?. N% C3 r X9 p$ m
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。9 |8 ]% f) v x4 S
5 |& d V- H9 T, V; z3 T% ~( V% e. }第3招:使用位操作
6 ]: }( L* S% J* B! ^. f/ B
/ G1 k$ D$ b3 h2 v) k 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。9 T. l7 P! M9 [. ]
2 s( ?% P2 ~1 j3 J" |" Z
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:- S) p1 D# J% I' L( E
方法G
/ w4 ]" `4 n# a$ l1 Yint I,J;
7 X% q' [2 j% j; y4 jI = 257 /8;1 Q' a: a9 j- z3 m% y
J = 456 % 32;; N! T7 w/ O, c$ Q0 M& p
方法H
, {+ D" f9 \) o+ B. l( Fint I,J;( y7 i4 Q, \- F) c* V, H& Q0 s
I = 257 >>3;% N8 V4 o2 z! i8 ^- l9 A
J = 456 - (456 >> 4 << 4);
6 J6 G7 h" E. [2 @# Q0 a. m0 {+ m3 w- M8 X% d) V/ y
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。) j/ Q5 b2 s7 i: M2 g, \; l4 s
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。* ~& x! H; g; ?, Z2 x7 T
# ]; ^: b. _' m0 m& y
第4招:汇编嵌入4 \) X. W! o6 X [- z" h F4 k
_: u8 d* p9 E+ G
高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。- O$ ^& t) Y( W( A0 o
5 O, @" P$ E, G/ H2 O
“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。# N6 X6 f3 ~9 k% g1 `% w0 [' M
. U! M' \. G, E6 P- r- |5 E3 h 举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
3 Q9 x8 P' s8 N. _) jchar string1[1024],string2[1024];
+ c& w2 @* |; f Y2 X: ?+ p$ D方法I$ i- l! `. Y" F1 U& x- U* C' k* o
int I;" H% f& t, B9 D! U7 X# E+ c' j9 `
for (I =0 ;I<1024;I++)
# |. }9 I P4 m: m0 Z6 E*(string2 + I) = *(string1 + I)
0 ?5 _. o# G9 m6 F+ W% S方法J
& R# r- U. f# V' h#ifdef _PC_
4 I! g6 H9 n; g ^$ x+ e1 l# J" Oint I;
2 w/ x( X: S U) p& [for (I =0 ;I<1024;I++)
( X& C9 @$ N' D* E*(string2 + I) = *(string1 + I);+ A% \7 f% s1 M% a2 c* O
#else
) g- S3 f! t% v0 P8 z1 f#ifdef _ARM_
0 L2 L% v9 t! Z+ a/ {: o ~4 M__asm9 Z. t: A* F& p; q6 d+ ^/ `
{
% h: Y( A. ]" E3 I% z. ?MOV R0,string1
. w$ e" J: t( ?+ Y8 {$ tMOV R1,string2- _# R9 F# l6 e; `7 f# ~' `( x
MOV R2,#0
* x9 ?) d; c! X0 c0 n' bloop:1 U8 \ Y4 y3 n( L
LDMIA R0!, [R3-R11]7 l* _+ u- }3 e
STMIA R1!, [R3-R11]2 ?5 S5 P" @+ I t0 K- g* X
ADD R2,R2,#8
' S. y: ~1 u4 v' ?' j: sCMP R2, #400
% e+ b' y! ~( F4 d' nBNE loop
7 f7 \4 v) T" l d+ A}
0 ~+ ]) g& U2 T#endif+ X- g n5 @+ h3 ^
9 x4 y# _% e$ B+ w( f
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。, ~& W$ f8 g* c- y, ~
8 O# y7 @3 M7 Y% [, p
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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