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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:$ M+ p4 n- ^' ]2 c, ]# j" c
  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。. b. u& l4 H. N- v" G8 W' X1 {5 ~* o# h
9 j4 H1 B3 E! F: n" L1 q9 s
第1招:以空间换时间
) {0 l" s4 y5 y" {. _+ s
' {* Y/ O" V: R  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 T& o. S: e' v! L+ @) }
例如:字符串的赋值。! G( m5 v0 U$ T4 \% o, z, Q' f( C
方法A,通常的办法:
5 F5 ^/ C, s0 B( Z1 E; Z8 t#define LEN 32
' N% Z8 A1 U( U8 f/ O! e# pchar string1 [LEN];
; N! x9 e+ R0 }: s& Z, Dmemset (string1,0,LEN);+ S0 i# f0 T0 L% v* c2 L" D$ u
strcpy (string1,“This is a example!!”);
, V1 U- c( @, x% {$ T方法B:0 E2 O; D3 ~) G
const char string2[LEN] =“This is a example!”;
0 s, v  o& j$ J3 L& c, _char * cp;
1 q& e; I, e! l: J9 Gcp = string2 ;
+ }. k8 T& u2 L* h(使用的时候可以直接用指针来操作。)
3 ~5 K/ `8 j7 |$ x8 q
* b5 O# G. P# u3 M* E' Q  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。' h! R8 t* n$ h7 l4 ?

; m* n$ C, C* w& r4 R  I0 U  K  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。
1 ?! ]7 _$ g  |7 Z! @  x, c1 B
( z1 b" ~( o$ ?: M  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
. W* d0 e* v- }2 G/ \5 ]2 F方法C:
- }3 r. ~9 g* J4 z# z#define bwMCDR2_ADDRESS 4) F! d6 k7 f  u! ]% n
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
7 [3 D+ ~! K/ K# p, C1 U6 y# wint BIT_MASK(int __bf)( g; S$ g( L9 J1 ]. G
{6 L. H6 T- p6 s- V. _( Z
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
2 D; K- d& ]3 @}2 H6 w, U0 f+ W; S; P
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)9 ~' w+ q, y5 I* {9 G2 n- q; U# V* \
{
/ T6 u1 u: p/ s  p$ h* A__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \" i' u! M" O7 ]3 k/ U
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))6 c* O! F# {8 ]
}
. ]2 D  B8 o5 i5 b2 o4 u
( q# n6 y1 n! kSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
$ d1 `  v. J  B8 n$ ~& m方法D:  s! U5 P1 t! }9 r' u2 F8 d- m
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
- V; }5 r9 K6 t! G! h#define bsMCDR2_ADDRESS 17
4 k) m8 n' Q$ F- Q+ G3 |1 {#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
) t. h% D9 P6 {3 w5 v#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
5 V8 j6 X, G9 L9 w#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \
" I2 a! M1 p/ M((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
) q  `; S+ _5 m2 g4 P4 n% J(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))/ G- u3 e6 s  A! Q, C: @+ L! @- P
$ N/ ^# D5 B5 n1 I% p4 l
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);+ V- I  p. ~% ]# K$ x
0 Y9 M+ A" Q7 z
  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。
) @, {8 L+ X) M5 S8 `  e5 R) f9 x
4 \! P4 X2 s8 y) V5 Z2 P  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。9 q4 i% `+ I& t) f

& p5 `" F) \, x0 r第2招:数学方法解决问题# B7 F2 z# V" L

: h: _8 t% @! n  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。
/ Z- I5 a6 C) O7 K4 J3 T: `7 I
3 y$ n0 R( G5 _2 n( }$ q  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。! _8 b4 T3 }' x4 V+ V0 d
举例如下,求 1~100的和。) \  x  A& d7 B# k7 }+ K5 ^
方法E
6 Q( P2 P1 L: ^6 J/ Bint I , j;
" j4 x  r9 C$ h: ifor (I = 1 ;I<=100; I ++){$ X, E0 I+ k( D/ m! s, Z
j += I;5 [$ x6 m0 J( v8 @
}* n7 O2 `) W; P
方法F
! Q6 g4 i$ K0 {6 M7 ~0 Y8 e( E) C$ Iint I;
& P: Q9 N/ R% D- g. V  i6 E, {7 x5 ^I = (100 * (1+100)) / 2
! l" }& H  s5 h, t+ E: B& x9 ~# @; H! s8 \. ^' V$ t
  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。
' [2 A) }7 V1 V5 c$ u, c8 k4 Q$ X, |- s$ l, U7 T
第3招:使用位操作
( ?+ J% s; z6 w  h
( `" |; e: B0 S8 d* M  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。! \7 A4 r$ {$ O$ v0 F

4 \( ^! G7 W: j$ ?2 P/ [  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:
/ w! e9 V4 b  Y9 \2 w. R( v方法G
" m  w- Q. B, v* n  yint I,J;
' U7 q/ g* v2 s6 ~' UI = 257 /8;7 m4 Y/ p6 R$ @; ~1 s$ p" Y
J = 456 % 32;
: G0 \9 |0 D: A" [' F& t方法H
+ V$ T0 ^7 a2 O7 M/ mint I,J;- I7 x, E  X' v- X: z3 |
I = 257 >>3;) j6 b; @& k! i' i
J = 456 - (456 >> 4 << 4);' z+ p% l. ~! H* p( B
* @: K% c; y: Q6 O4 H1 p
  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。' \+ e( l$ K0 v  b
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。) s/ `" P2 c7 i# L3 Y9 S& P9 N: o+ i
: S$ [: y2 p+ ]* {& v1 V9 ^. o
第4招:汇编嵌入
$ s$ L3 P# u1 g' a
; K6 \$ T+ t+ {5 v) p  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。( c# o; h2 n9 x8 p
+ Y1 [5 _0 \, U+ L6 q
  “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。- }. {7 f; ?5 N6 Q. f! a  y
, N4 [/ D* B% ?# M9 a8 W' i
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。7 w) O, o/ }+ Q# t5 N* R; Y  V; d
char string1[1024],string2[1024];
+ `) i9 z) n8 L' q+ x! g' E方法I) g" {5 @. h3 i' [
int I;
8 A2 s/ S- m) }3 m+ }# D" X9 |4 ufor (I =0 ;I<1024;I++)
# e) _8 N7 I6 L! C. F*(string2 + I) = *(string1 + I)
( G  S( R/ V5 r+ N0 r2 Z方法J
, @/ u6 M7 W$ Z$ G#ifdef _PC_+ ^" j$ e$ Q. w4 R+ b
int I;6 I6 z4 g  @: E" L3 B
for (I =0 ;I<1024;I++)+ {" y/ o7 Z  I0 {/ q2 }( m
*(string2 + I) = *(string1 + I);* ]: D/ O: j" S2 S
#else( e7 U; T1 P9 W) k8 O: M
#ifdef _ARM_
; C8 r6 K$ A+ e7 P; }1 m__asm% Q" U/ W+ [; l4 ^2 Y
{
* f& y5 E" C+ BMOV R0,string12 Y) c9 `/ S3 k* L- V7 T: Y, b
MOV R1,string29 T2 g& _8 S# f# J
MOV R2,#08 Z) c* a' T  |- c3 b9 b; @3 u
loop:$ X/ {) S- s/ n& ~
LDMIA R0!, [R3-R11]/ r) P  `& E9 y$ A; D6 G6 Z2 c2 m
STMIA R1!, [R3-R11]: N: f: I% w% Y7 d" O
ADD R2,R2,#83 U1 J. w5 v. d0 G$ z' A4 ]1 z; G
CMP R2, #400
& Y5 n* J, F* O& F8 fBNE loop
. w4 d1 j2 n% i6 }; @}2 E7 d6 H% g2 n
#endif4 H# v! e% M1 u+ E& g7 o

  U& j* w4 H# F7 j& v$ c+ v7 M  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。: f9 Z# c/ Q+ }& W1 t

: J& E5 U9 F$ g1 i  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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