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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:* I' l' _0 l4 S# ~: {+ j8 t" G
  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。
  t8 B3 t- p# ]
# D+ Q" ?; j6 {' v- N4 `2 H第1招:以空间换时间
* m$ p; F4 `( u9 ~$ R8 r. F% t: h. z0 O
  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。
7 q: z* C8 _9 w4 q) C例如:字符串的赋值。$ R0 D$ H' O- j! I
方法A,通常的办法:
! R6 w& a$ Q1 a4 O% P  a#define LEN 32; ~, C- n5 x! B
char string1 [LEN];
( ~. O2 x; p2 a! j: t: zmemset (string1,0,LEN);
$ y" p  q* C' u( _' Hstrcpy (string1,“This is a example!!”);0 Q/ \8 i' B2 c' r: g# o
方法B:
. n3 h; A$ i* Bconst char string2[LEN] =“This is a example!”;6 \" ~- U; S4 M7 C: M5 }
char * cp;4 d/ H' Q3 c4 w$ u: @
cp = string2 ;, R! P. s& t! z
(使用的时候可以直接用指针来操作。)4 }6 M3 g+ n, n
* w9 ^+ e( C; s; C" s: H+ B1 s; @
  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。
; Y0 L4 [, d* ~  w6 D# R4 h! ^4 O7 e, r: h6 C
  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。) N3 s# M- M+ b# x, h1 f* d; Q. _! G0 ~

) w4 \3 b) ?  Q  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
) Q% r3 W9 E5 L9 j3 j# G$ W+ G4 z方法C:5 q! v: @& L! ?! j  R  ?, r- c
#define bwMCDR2_ADDRESS 4& U1 `+ {' _$ x
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
& I& [# `- g" m) O. r4 Zint BIT_MASK(int __bf)- s/ O$ y5 L! W2 y
{
1 L) ~: M6 R! i6 R, Mreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);7 N8 T3 b/ [7 l% O2 i0 y; K. v
}
0 \4 y& N2 d" N- Svoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
* @9 g: o3 x0 y2 y, k$ ~0 g{5 e3 l1 a, r, y7 ?2 l0 ]
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \" Y5 S% O/ V* E* c* r0 F' r
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
! o# h5 |6 c0 b6 l; H) T9 g}" ~. j: I* B# D" g3 [( M4 u

( d; v  g" ?4 i+ Q# h& ]0 d; hSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
9 a% N+ D( J1 D( E" f7 G; X方法D:
" `4 k9 l) A: R) O( u4 X2 `- [2 E#define bwMCDR2_ADDRESS 4/ t" I: k1 o, R# k. C) h
#define bsMCDR2_ADDRESS 179 w5 V) r# u2 B1 F9 }
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)9 @) k1 }& W3 c( `+ g
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))! W6 O5 a% v7 \0 l- T" ~/ g% L6 Q
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \: |: f0 Y1 _8 Y& E# V0 N
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
7 J4 L2 }4 C. N4 ]' A(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
+ U$ X, p  D% S$ M
$ z( h8 g6 ^: [9 M7 F0 `SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
4 k! }. q5 r6 c- c, w7 [
7 @7 ~0 X3 {# r- O  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。
  E" w6 v3 s4 X: Y: f# _# A% P( \8 p! V! i+ F- `, d
  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。( n, g, E' W  I3 a) ]

0 ]% u, R: f9 t) `3 K8 ~$ d" o第2招:数学方法解决问题
# S* x/ J9 K6 b0 _$ ]% ]' C1 n% G4 w2 ~/ U9 O
  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 `: G1 L7 L* t! D* ^
; \# Q* Z' Y  u0 }% N
  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。
: N+ }7 T: m, f  f8 M举例如下,求 1~100的和。
, Q# O2 E9 p9 {8 n) d4 f8 |# S方法E
6 M, E3 n# J2 Gint I , j;' ?, |7 J+ k* e$ `
for (I = 1 ;I<=100; I ++){( {3 n- L. U( Y; B$ z0 _
j += I;- s6 {2 ~9 d$ J6 w2 t
}
2 [+ x3 l6 W- y1 z! ]% p方法F
: J1 {6 R; r! g. w& `# e( bint I;! q5 L& _6 Y6 b+ N
I = (100 * (1+100)) / 2  i) H6 F2 i) ~' i6 g) T6 g7 D
8 r7 Z( a* W/ L% w; }
  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。6 Z! Q2 X, ~5 s7 z: E
- w) D. z) C' @. F( f9 ~
第3招:使用位操作! v: X1 w/ @; _

  n$ J! g' o* {. P" Q" t  g% 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。
+ v5 ]4 ]  m! s
+ ?3 i9 m2 A2 o! Q; D. a  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:* N4 p. f+ Z2 a- b1 c+ y$ K) H$ v2 B
方法G
% P1 L  u2 B0 Y. t# C7 Jint I,J;$ n" p1 m. {/ ^  s& t6 a
I = 257 /8;' O) s( c  W( @+ T3 {0 i
J = 456 % 32;
! D% @/ j; L- n- a1 t3 Z. }方法H/ \" J+ g( R1 p3 v6 s- y# _2 }
int I,J;
5 ~7 B1 s: E& m9 r' n# E# ?# J/ DI = 257 >>3;
$ v! z8 t* i1 y4 @% ~+ Q1 gJ = 456 - (456 >> 4 << 4);
+ H. ?% t4 C- ^1 W" W" u5 V
) {8 m. ~! ?! _, e8 s4 O  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。
/ Z: O, b% t; z! i! e  F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。
. q/ }; J  i$ d  a4 d% R! |( g+ ?+ y3 p' X# f
第4招:汇编嵌入  t5 P! }8 [5 n6 Z
* ]6 k% J, [, ?9 i8 I+ l/ a
  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
& j% e9 S/ o4 G# J9 w0 O7 O* _3 f2 M( N. {
  “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。% i: h# f8 x; @" \5 p1 }( d
! u- t. d  F+ ^. o0 i7 w0 B
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。* x% Q0 ~) W  ?1 v
char string1[1024],string2[1024];' y. k% {9 F5 S! A7 H/ ^, u, d
方法I& @# t. ^- P  ^
int I;
+ t; {+ X5 {7 s* T% v' f' r. {for (I =0 ;I<1024;I++)
& w# c% n' d  A, |*(string2 + I) = *(string1 + I)
" V/ a& K+ B) ]+ T方法J3 e- `* l1 S) K6 P! |. c( @' c
#ifdef _PC_; p, a4 `* C' Z5 ]( e, e
int I;2 i4 q( F  [) ^7 O; a1 a  I
for (I =0 ;I<1024;I++)& s4 E  e8 t$ u0 u6 x1 V
*(string2 + I) = *(string1 + I);; ]1 Z6 h# N2 N5 a" E- c% C
#else% C% p  m8 X& O4 O! w3 f1 Y5 r1 s
#ifdef _ARM_
, t) Y' N. R. d& E__asm
$ U% R* X6 I$ @5 e3 ]0 y: u3 j5 u{) D  E9 H6 `* E! z6 [1 S# e' \
MOV R0,string1& y, r9 u7 j+ F2 s! [9 z
MOV R1,string2
$ L: C8 A" j5 l5 GMOV R2,#05 z8 f1 A% L1 U$ @
loop:
+ X% t' E4 f% u% hLDMIA R0!, [R3-R11]
+ V: W* E1 K7 {# w/ u; OSTMIA R1!, [R3-R11]. e9 l% d8 V7 R  l6 N) Z5 B
ADD R2,R2,#8
" u  F: ~) o: ]% S3 }) vCMP R2, #400% O/ s4 h& L  T+ x/ X' a
BNE loop( a7 j% ]$ h' I3 U3 X' y
}
8 F+ k( U! w8 @; P#endif4 t! R  _# @6 @" z

: A" V( Z* c' {0 }2 u  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。8 L- i3 @: S  }* j
, \  K, M1 m- p% L9 f8 ?
  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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