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引言:7 Y) ~- ~6 H# z* B& |$ ~' S# _4 F& l% q
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。
' X( ^& D8 }3 v* L8 k2 E( M8 m1 G% ^* X% V5 z- c9 z$ ^: I0 }
第1招:以空间换时间) j6 M" b$ \4 C4 s
" g! w4 w) |, w) j* ^- |* x, O% M4 N8 ]
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。
: b) l( M1 s! z7 L$ ^. e7 u例如:字符串的赋值。
f, I6 X) X. t! I/ g& \5 n' ]方法A,通常的办法:
- N0 {# U: b: P d' v0 ?% v4 J#define LEN 32
& F9 c1 ~0 _8 }* W. J* G6 |char string1 [LEN];4 X% i' T- F4 w3 @* d. ?6 }/ v
memset (string1,0,LEN);* @) B% c7 I! u8 p
strcpy (string1,“This is a example!!”);8 F0 l( I# v0 h6 Z. ~8 l8 y8 M5 o
方法B:
3 G$ o9 d) E6 u8 ], pconst char string2[LEN] =“This is a example!”;$ X! ~! X8 I. J. X
char * cp;0 t- `& |* d# U7 Q* f7 J$ b
cp = string2 ;
" ~) i0 G9 H% g% b5 }8 F1 H(使用的时候可以直接用指针来操作。)5 V" ]; j5 d7 G, Y" L. l3 s1 g5 s! O
]& i: f9 l" s, w
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。
! L4 u* q7 H+ o+ e* D: w
2 m6 _$ n7 [2 b- E/ I 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。
7 U' @, c+ |- h& Z1 q$ T5 \1 y6 l* S" V" Y( R$ b
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:6 |2 C% h3 [9 | t: e) ~
方法C:' f/ M4 o! O! Z
#define bwMCDR2_ADDRESS 43 L1 g; m; i) p j {+ y6 w
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
9 B( q* }! k: B5 O: g' ^int BIT_MASK(int __bf)% M3 f9 o3 q' G: ~; E$ ?' v
{& {2 o1 m# h$ `( l
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);
) X# C5 o3 @. A t9 @) O( u- I}
* l/ [0 I8 U* f8 z; K% I& ?void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)% `' z5 b$ `' C+ C3 G M% {5 O
{
7 [' V. ~: N% t* v: ~__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
: g) v& Z3 g5 F% v/ g9 q(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
# c0 A5 f. ?7 W# R5 n}! ]! V J5 E- V' u j
& w# ]/ {* G2 V# `; N. WSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
; D0 x! T0 M9 l' B, x* e4 s) V( T( h! x5 T/ g方法D:* q8 u' K2 |% T8 @8 ~3 S* J
#define bwMCDR2_ADDRESS 4. {) F$ z" Y) ^% @- \
#define bsMCDR2_ADDRESS 17, w! E% {7 `6 i, u& o
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)( K* i6 T1 }4 G
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))/ x. G" Z0 [! t4 _+ N* k' t7 i
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \( c, r% l* I9 t' F, ? t& j8 `
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
# ]' q0 i; a' E- g(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))" O( F, c, h9 C9 G$ s
3 ^6 [+ q9 a8 M
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);5 {8 X5 v3 y# I
. [6 A. \6 k4 @5 G; h1 Y. R; { 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。
+ Z) I: b! r2 I
- }5 L4 ]' M. ]7 y7 y" X4 b) q 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。+ [% T6 y* C: v+ x4 Q, i
2 o7 T9 S7 U% g
第2招:数学方法解决问题0 Q8 @5 d3 {1 d6 j$ N, `* \& G* T
; a' r. t: h+ Y( d
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。
3 I9 U! p: o, X* E# [5 N6 s* f$ l, Y- d
H' F% c) N% s) d0 f, K9 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。+ S: u1 w0 Q3 F0 H. N% u3 F' P! ]0 v
举例如下,求 1~100的和。9 W% x: M0 W7 T, I, y4 r
方法E
% G4 F3 f. c8 w4 T v+ O( o( gint I , j;
8 J; n5 s8 o1 g0 V0 Ffor (I = 1 ;I<=100; I ++){
% M0 j V7 ~" S( mj += I;
4 c9 ~2 z3 Y1 J: O' u/ @}- K" e) D8 f2 X3 S
方法F: W/ l Z8 f: A, ?% v0 l+ b
int I;3 F! M" t) J1 g. M: `
I = (100 * (1+100)) / 2
$ q9 ?" C' K+ U9 j$ V" w1 ]8 `( {0 J, x( f
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。; {# m4 w# Q# J2 S9 b* L
! R: ?2 F0 U2 |
第3招:使用位操作- c5 S, X6 s4 f9 ~2 n
3 k& v% d: d: i- _, K2 g
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。
# z1 ~* r8 z5 _( o# }# a! D [# L6 \( f7 z0 l( V4 T
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:' O0 R8 F" N, h6 Y- {; |
方法G
8 D2 D4 h( {7 {! ]4 W) }4 Q' \* Eint I,J;2 g6 A: D! C! I# m# j
I = 257 /8;
" C k0 V+ x% d: k! V! x6 WJ = 456 % 32;
( F7 \9 |, N y/ X8 C0 Z# C方法H
, r X( K/ y& n: ^3 B, V& k Dint I,J;
+ |' q6 `1 N* sI = 257 >>3;
. c2 s0 L" V1 SJ = 456 - (456 >> 4 << 4);& c+ E) Z. g- B
3 S9 p$ i6 d! N5 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。0 R/ @' v1 A& }" l9 {/ b4 t
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。+ P5 K2 Q: d/ s# |1 r
$ }0 j9 u$ Q* G6 {9 G第4招:汇编嵌入
1 a- C/ J! O! O1 W3 Z# Z4 D
9 S' o: y2 ~. ~0 C 高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
! q2 o5 Y; x. g4 P7 ^7 w" U" c/ z. |+ y+ H7 T! O4 z8 L+ R
“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。
; o# ^; L9 t% x3 Q6 c7 f/ ^# K& f" C5 j- \# U
举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。
# @! E4 R. x$ N. w/ Dchar string1[1024],string2[1024];
4 a2 D1 ^2 Z# W9 S; z方法I
3 M8 @+ a. K- b. ^9 v: hint I;! D( A1 L# N' z/ y9 D+ a
for (I =0 ;I<1024;I++) }+ }# x0 _# B- k6 Q1 B0 h
*(string2 + I) = *(string1 + I)
, |; E- h1 }. l1 ?方法J* ]9 i0 n# p1 r J N
#ifdef _PC_7 z. Y2 ?/ R" g/ ^0 {+ r8 r
int I;
& c+ N$ t U4 e ]6 k9 [8 Ufor (I =0 ;I<1024;I++)$ A. t+ \8 T7 `# u7 c5 i
*(string2 + I) = *(string1 + I);
: |) f+ {* {/ z8 E2 m0 O1 u#else3 H& Z# D$ W- e4 e* F
#ifdef _ARM_
7 x8 o c* j; h1 |__asm0 ?0 R9 T$ i+ U9 o
{7 T$ n" D" M$ g; A$ t
MOV R0,string1
5 x4 F6 _6 B7 c* `% J; EMOV R1,string23 e4 a8 T5 j6 `5 D$ P: Z7 o0 S# q
MOV R2,#0
! R% f8 H- Z- H2 tloop:% d, ?5 l. X2 P+ j2 f0 y
LDMIA R0!, [R3-R11]+ T( U9 c6 ?. h: G0 r
STMIA R1!, [R3-R11]+ A8 o& r$ I' b$ a& B1 f5 {
ADD R2,R2,#82 l6 @8 B: |- x& K
CMP R2, #4001 W9 k, u% o) \ v' C* v
BNE loop7 [ u% l8 s; s: [7 u; @3 f0 q
}
1 o3 k* m2 A4 d$ ^0 s! c#endif
+ h. y$ l' p% C2 C$ k! ~+ c/ x; D
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 x6 ]% h( V2 ^5 j- ]+ J7 P! U& M- n, ]5 O! W, k8 X2 k2 e
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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