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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:$ D# c6 P4 R9 A
  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。
& v  p: i; ~( c( S5 q! p. f4 c  S; R/ m5 k7 \. l3 f) D- F7 y, T, x$ r0 X+ P' b
第1招:以空间换时间' t% U; \9 {" A" ]
- N! n9 ]- \/ U
  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。" U" ]% j  G; ~& I6 g( U
例如:字符串的赋值。
4 ~1 H1 `4 a+ h' i% j方法A,通常的办法:
3 Y3 s  h. i; @' ^#define LEN 32
* f0 s  O, s, L7 a& q9 \4 Zchar string1 [LEN];: h6 M& X# N0 V$ D% U8 y# L
memset (string1,0,LEN);
% N9 g6 n1 j9 E7 {) _, |strcpy (string1,“This is a example!!”);+ E: y5 d! M: u5 f4 A
方法B:2 k/ y9 ?9 |: b: Z5 m
const char string2[LEN] =“This is a example!”;
% e( K( o0 ?& k( Rchar * cp;9 i4 f4 w; m! W0 {- W3 |
cp = string2 ;
  _4 G- \$ L# u& c( j/ _- m(使用的时候可以直接用指针来操作。)
- V! q# E4 j7 E0 _  B# Y/ M# b1 c
3 ^+ ]. v& q' p# m3 k6 b, [  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。
/ R1 Y' `* y" j) W7 w
  T% E" X, w+ _* l: |4 n' Z  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。6 g0 O1 c3 f5 |% p. q: W

. ]& _7 Y# `, v& G! U0 ^$ u3 D, Y  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
& ]$ k# I. f7 E5 |方法C:
, K+ C: p$ l* h3 c, I#define bwMCDR2_ADDRESS 43 K3 n& X$ ~( e* m3 o% r
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
+ x9 M! t, }& h; m4 uint BIT_MASK(int __bf)1 M* Y) z( J. W1 u/ g/ o$ ]! _: h
{& f( L. \# j& d5 D- J) B
return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);" w! ~4 M3 b- ?" Z+ m
}
* ?% t9 F( K; z' @! Y% \void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)
8 [" {3 R  q  ]9 }{
) q9 k+ ^5 P7 F& \__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \' d% ]# n+ U; t" F) Q  W  Z
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
/ G, N! f5 ^# K}- L' r, v: d) o2 t0 S9 A2 y1 y  n
4 g+ E9 W5 c5 g1 G5 `# `  f0 _$ T% W
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);1 D; g: b% n2 n( p+ u) h
方法D:' E1 P2 M" Q4 F) I
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
4 H9 N" [6 s' o, A/ x: e#define bsMCDR2_ADDRESS 17! c5 W/ T" ^% G, Q# t
#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
+ G/ g  m4 ?4 ]8 M4 V( f#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))& |3 x  C4 }* F# i. _
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \2 B; F5 Y7 Q& T( R2 |
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
3 x* j9 b, H) Y) [+ [(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
$ x1 u" j* A3 d3 J
6 x9 Z! i$ z$ W. y1 c5 ]1 L& @) MSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);* R" u  {2 z4 p' N8 S& C2 k

% _+ V( d/ h6 X1 T; n! J  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。4 n- ^% T$ u5 H) d
- [: `0 M) f8 N  q. 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。( o! R: s7 I: Z* |

2 i# C% h. d9 q4 Q第2招:数学方法解决问题
7 ^3 Q# T8 `2 n1 B0 B; b$ K) ?& j% t& y$ j( f
  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。& U. M8 u) X5 Y. B

5 {( q$ S$ w8 h8 w7 T3 z  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 _. e6 w4 X- ~9 i! D8 ^举例如下,求 1~100的和。& e6 V9 f& U3 F1 C" s8 ^. f
方法E- m: Q$ u. h/ T, L! N' N, s$ f
int I , j;7 n$ u4 V) t7 D4 ~6 D( X4 c( b
for (I = 1 ;I<=100; I ++){! d1 _) s5 K* V
j += I;1 @) q1 G0 _- H% V/ P( |( U2 M
}
7 J2 P$ D0 a! b方法F
) t& P* b3 P/ d, L0 }3 m# c5 r" Xint I;) R2 I6 i: Y4 H' l7 [
I = (100 * (1+100)) / 2
* Y% ~- f) D+ k0 l7 l8 ^4 X% s( F" D
  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。- l' c5 {3 s% |

! }! H) x! f" c" a% G4 y+ \第3招:使用位操作
8 r% j8 h' g9 I# |
8 m: R/ j4 y2 F0 n- o. r, R  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。" @* f1 j, Y5 r( X  ?7 w3 P& z
& i, x- B+ v# u; t! N1 d* d9 b
  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:
3 r1 v; H4 Y( X  M方法G( b) `/ |) R9 x7 M, {8 t
int I,J;+ a% A) E: ]' {/ O. ]/ B9 l
I = 257 /8;
- t9 e3 h4 f& W. p3 B9 ]1 _- ~7 ]6 YJ = 456 % 32;( X2 k! ]) G* A9 c$ b% }# D$ j
方法H& z6 E3 [, Y* P- y
int I,J;
$ x7 J2 z' l- rI = 257 >>3;% P1 y0 j3 P4 I9 b6 T' }
J = 456 - (456 >> 4 << 4);1 `& J  N' I0 ?3 V! ?1 i% E8 @

. A& B/ ?9 h+ s0 A  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。( o( i2 _$ _" F5 {( b- x
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。8 v. r6 I- v7 \( z2 A

; `# }/ c/ _+ z9 e$ ]0 l/ w  a第4招:汇编嵌入
6 ~& ?  m6 }$ s5 Q
! U4 @& [! Q: B6 I3 f# W  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。" }, B/ g7 ~$ @. C
; u; w. E7 }, y% w# f7 S7 {- B
  “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。) w8 [& ~6 _7 ?2 p) m
8 t/ P$ t5 H: D  k3 {! N$ f! X4 d
  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。" L% ~) k# K# d" S2 G2 w) ?
char string1[1024],string2[1024];
$ n' V; z) S( Q6 b! f" N方法I
4 A6 j6 h4 \6 l* Bint I;! D! h2 {0 f- t5 q" h
for (I =0 ;I<1024;I++)
7 Q* b/ P# P3 ]# u1 \  _*(string2 + I) = *(string1 + I)
. {/ N) t8 n; B5 }; h  H- q. n方法J- J# a7 G. U$ ]
#ifdef _PC_
  A  y: n7 \5 N2 P' y6 F+ |! |int I;. A1 X5 ~! z) o3 b: ?/ a
for (I =0 ;I<1024;I++); A! b6 Q5 M& s9 e
*(string2 + I) = *(string1 + I);, G% S1 p; K* h- @# n0 |
#else
. y$ A8 N, C9 U1 M3 T3 ]( x- B#ifdef _ARM_5 B' X4 J% y4 o& _* D, M; m1 o
__asm
8 e. D- }( r' ~{
6 J/ c+ |0 U9 z& dMOV R0,string1
$ Z8 Z" W3 a' ]MOV R1,string2
6 {5 [2 p, e5 ^+ i! B$ [. |  W: C. I4 cMOV R2,#07 K5 H" |+ D: }: {' i  c* C3 r
loop:
& q5 o7 f2 l8 ~% l4 A' ^3 n3 @5 `4 kLDMIA R0!, [R3-R11]
: D3 ^* T9 s+ l' A( I# b/ B8 h" MSTMIA R1!, [R3-R11]; k: l8 `7 l+ L3 f
ADD R2,R2,#89 z; C  s) L9 O1 e/ V+ G
CMP R2, #4004 W3 t. {8 E7 }
BNE loop* h, h2 L# ]; a$ B& o, [
}
3 m. v4 n* v  K8 \- `#endif
4 L) m6 s( ]! X$ V& M8 u
* F0 S9 ^. X% M3 a$ K3 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。6 I/ w7 W2 a1 v" [

; |8 \  ^+ q7 H$ f$ U  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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