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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:6 H9 H' f7 b2 u" W" z
  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。
; K* Q5 I" J- M2 z& X8 N
! |7 ^7 C" Q( N. a7 r; v+ W  D/ S第1招:以空间换时间
# u* b! A$ s' H+ f* ?7 L; T* q& |8 ]( x9 V: a- H
  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。8 X: b; J  U5 Y
例如:字符串的赋值。- G* n$ G# {, r1 ?, ~% ^1 K
方法A,通常的办法:
6 A( m+ d' Q+ K/ N#define LEN 32
5 j5 |# i2 a2 [6 nchar string1 [LEN];# D' [3 \) R& W; ^, w& M4 H7 K
memset (string1,0,LEN);  e0 {  N; p& t" t% V9 b9 J
strcpy (string1,“This is a example!!”);
! m: u5 G5 j9 f. [方法B:
6 C8 o7 i# m; q- h1 f/ L+ F% bconst char string2[LEN] =“This is a example!”;
$ Z  l, z$ i, j, ?/ mchar * cp;9 u0 B7 m% q- r9 I/ f# Y
cp = string2 ;
7 g! z% N2 ?/ y/ a- U! \5 n(使用的时候可以直接用指针来操作。)- c; g! u' u5 w' i+ q
; W7 T2 l- T3 }# `# c1 O; c8 X) p
  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。8 _8 l, d1 P1 c" F5 l. `$ b
. f/ \0 v/ v1 Y, w9 _
  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。
/ C( L: S5 q. v: d& s+ m% e
6 d& h- j" X' O  q* a6 B4 Z/ q  该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:% K9 Q) ?" h/ ^  W
方法C:: m& A% I# j1 r3 ]3 y- L9 o
#define bwMCDR2_ADDRESS 42 Y  r) d  U' F4 |* }% W3 K
#define bsMCDR2_ADDRESS 17/ r9 I" }9 ~9 s1 [) T# c
int BIT_MASK(int __bf)
3 j. g* {9 m! |" J$ Y{
" M4 B) b- z6 l3 Q( Z; o& [return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);* R4 v  n6 {( A0 L& q5 u8 s
}
7 i8 O2 t* z! k! E- rvoid SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)& p* q* ?& p" q$ |
{
! |: [# S% S  W3 F__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \/ M. l' q% ~5 }+ t6 y4 p
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
. r$ j3 M0 T+ x/ d: N2 K6 H}. }0 M, v; d0 F. h- v, Q

9 e! Z0 {* F4 `5 V+ `' ^' XSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);/ f$ B5 V: l) z5 k
方法D:
% T! c6 ^" f! L/ H8 b1 |0 C#define bwMCDR2_ADDRESS 43 ~, X0 [$ y8 j4 h
#define bsMCDR2_ADDRESS 17
. ~# o- [/ i6 y8 v#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)  W$ k% X, R$ B# \2 O
#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))
6 [4 x' b1 I' K& O) G- t7 D#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \; M9 H2 z, }2 k! ^4 l/ s
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
  g- J& \) q  E- a5 ]* ~0 M! m  ~& }6 m4 ](((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))% e' ^# U1 {  e. x7 h: {

- J) A8 k$ Q4 L6 f8 j, sSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);% \# {9 G0 T" u2 `
; x& y4 }. `- _$ v  @$ |
  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。  m, x# o; c5 |2 K+ j

: Y- p! g4 ]! G4 b9 m' S  B  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。7 g3 S! z" \7 I# `$ [! [+ Q* s

* M0 U1 o8 z3 f: c+ l) b第2招:数学方法解决问题6 Z+ E( E0 o% [6 Q$ ]& H5 F

: ^0 y& w1 c' q' E  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。4 P8 \' W  B8 _/ U5 P/ r* z, {6 T

' |# }7 x5 J% h3 [6 ?3 _( k  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。
% [) C: B1 O% G9 ]举例如下,求 1~100的和。( o: ?# L7 _0 b% x- P8 H2 q" ^
方法E
% O9 [5 K% A5 R8 T/ ^8 |int I , j;+ `# p2 I, R/ ^: J- K& Y
for (I = 1 ;I<=100; I ++){: e1 A( |3 Q5 _) [
j += I;6 ^) ~$ C+ p2 o: ~3 G
}
- O9 m+ w8 R& e方法F( \" |0 P9 u6 U- z' d) E5 K& i
int I;1 F$ H4 f" W7 _% Q+ U
I = (100 * (1+100)) / 2" T6 v/ C% S! ~% T3 L, H
) L5 a' U% T0 b- u
  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。
( F9 V# F9 ^' v" e" `: e! Y- F+ e$ \$ i. c
第3招:使用位操作
1 i' i7 g( @7 d* [+ G3 m; J$ q" F& e* i$ W4 p! N8 V% T! F0 b; 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。
: c9 \5 s/ A4 g$ Z  Q" U; _7 ^/ b5 S: y! c
  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:" P+ g  h  k3 h
方法G
; V% v2 z% [. Q4 Eint I,J;
; \+ z( b4 N3 K' wI = 257 /8;
# O# o- N+ ?% FJ = 456 % 32;, ?) t6 }% q) s4 S+ I" W6 t% v* q
方法H  w9 Z6 c3 @! k' C" `  P
int I,J;( D) z3 [% A6 u' N& \& D
I = 257 >>3;
9 _$ ^5 z8 M# j0 V7 b% {3 wJ = 456 - (456 >> 4 << 4);9 i4 q9 M0 d4 S, Q* J: P

5 O& t7 k8 {/ a6 E0 u$ _& i  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。/ h7 {& ?8 _; N/ [% f8 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。  e. ?/ ]2 h9 R6 H2 R: u( W
9 r& t6 y8 ]& T
第4招:汇编嵌入
0 K( Q' H0 h6 r; Z6 C& L+ K4 \, p8 L( l9 a0 W( k: y
  高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。1 w! w. S/ u5 Q% o% W# R# Y
, X  g0 Q: K2 }0 S( G: _% p
  “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。
4 }$ m" S) H/ P, ~) l
, W/ E" k, Q" F6 S5 B  举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。0 x$ c9 i9 i3 o9 M1 h9 y8 ]
char string1[1024],string2[1024];# o* L- U% p5 G, t
方法I+ l# y) k3 f1 E4 o* T3 f
int I;; J$ G3 I. v0 W# p
for (I =0 ;I<1024;I++)+ l- d! s0 }+ i6 h) `! x
*(string2 + I) = *(string1 + I)# ^- n' s+ H) X3 B" J8 L
方法J
4 s7 G- u/ C+ h/ x2 S( X* G( }#ifdef _PC_
) \; B: d; A; ^! m* e7 W! L4 w( dint I;
% s" F# y- z! \) Z2 K! J1 |for (I =0 ;I<1024;I++)! U) z' K; q  a
*(string2 + I) = *(string1 + I);" Z: x1 T. M" V: I6 i
#else
% j& m2 }; M$ K) Q+ |2 Y" a#ifdef _ARM_6 l0 f0 l3 q8 ?9 A
__asm
0 S4 V" W4 [7 [' D0 v{
' O6 P# \7 e& B4 W5 OMOV R0,string1
  [4 g+ W' ?6 s  v/ J+ R5 UMOV R1,string2/ l: }! ^/ N* e. a& \0 y3 X" V
MOV R2,#07 m/ \- V; ~0 {0 U. z
loop:) L1 c/ b5 ]9 J5 Q+ T
LDMIA R0!, [R3-R11]) x$ T6 R" V! I2 L# Z* \9 j
STMIA R1!, [R3-R11]
, T' Q( W& k8 f2 d4 G2 I& [ADD R2,R2,#8# v$ z) e9 |  p4 o' {9 H5 _
CMP R2, #4007 |. T8 m7 C/ {: s3 f' V
BNE loop
3 `* N( |6 X  X}4 g* V2 L! u0 l& h6 `3 C+ c, [
#endif. c% z2 w" P3 M% W# n

* n7 T$ k' H( e8 |# L* 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。
8 O7 [% ~' z5 j2 M
6 I2 B% t6 \9 j  `7 [' p" G  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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