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引言:1 p; P/ m3 R% |* l
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。0 X8 E( n$ T. U, o0 L, F
# n( v Z$ k. k% z; b* e7 \
第1招:以空间换时间4 d9 O U! J- ], O
$ m% ~; ]: p5 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。; f! u p% J6 d7 A `2 c. k W
例如:字符串的赋值。# `( d1 ~: A3 B
方法A,通常的办法:
) |! |5 S; `9 E& |& S! e# | i& w+ z#define LEN 32
! X, l5 ~2 g9 B9 z- M& l* ~char string1 [LEN];
) R" ]! x1 l# a, z$ dmemset (string1,0,LEN);) P- ^8 M6 i, v& y: w
strcpy (string1,“This is a example!!”);
+ [& W# Q2 ^: M9 e1 f方法B:
; v1 ?4 f2 m9 {$ `! ?$ i1 _6 Y4 Pconst char string2[LEN] =“This is a example!”;
" F% }- `. O' k6 r5 M3 z* cchar * cp;
, m* | ^) }6 ?6 z A& d; ccp = string2 ;9 W; Y- p9 @$ _7 y
(使用的时候可以直接用指针来操作。)) J, M, x2 @' I" @5 D- `
! J- O- ^/ q* F1 u3 c 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。
1 g4 L" n+ ^7 L+ Y) f
+ K$ j% t% ^* D; S; ` 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 L) Y5 t; }1 w
' m" Z- d5 e0 |. a: {+ |
该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下:
# d8 I4 q4 q/ y9 R, p方法C:. U2 u: P. j# Y# K0 N
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
, ^' ^ O( L" M0 s#define bsMCDR2_ADDRESS 17$ N* J5 T1 N0 ]0 t: r; a
int BIT_MASK(int __bf)% d' Q- w! K& f/ n/ l9 A
{
m, s) c# w( k$ b$ nreturn ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);8 J, z4 f7 K M6 O" L9 Z: l u" C
}2 u& a5 P: K/ \5 ?2 X1 ^. i
void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)# j) ?# c) u; f1 x' V
{1 Z) P( |/ u$ {8 o0 R9 @/ r
__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \% ]& a% |9 j$ Y L8 N+ Q4 N
(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))- I" H% r; ]# t! ?
}8 f( [/ M! R, M, _
2 y8 D- B5 H0 E$ X0 i
SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
- J+ v( A* i/ m3 M) g* a方法D:, n/ p: _- i% ]; p1 @7 g3 ?
#define bwMCDR2_ADDRESS 4
2 V; l( e- n. p P#define bsMCDR2_ADDRESS 17
; o% b c0 S6 {9 A3 U" l$ j& s#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)
* H7 K) A- ?+ q( i; O6 V; l#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))# I7 Y& N9 U: q- x# v
#define SET_BITS(__dst, __bf, __val) \0 g1 }% B' l" T' m7 s4 M/ w
((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) | \
w% s: r+ l& `' t& U" v(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))
4 R4 v; o" ^1 P- L
R+ `( I& `/ M8 g3 O# XSET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);
4 D9 M6 g7 s$ r o, n! n( V' a: _* {' d; _% A; D+ e) P
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。
! U* D- N# B, U0 ^7 c4 u
6 z% o N( G3 k7 ?( W3 I 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) l$ @' S# E1 E; ^. F. R
, A( Z( h% N; c) E- @第2招:数学方法解决问题
/ W0 ?& e+ s( E% M( ?6 Z: [ W- L0 K& E" Y& F5 w
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。. V, }+ c Q" i& V3 q2 R6 d
% w2 q5 a. X' T- H% C
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。! S4 l, r: c3 U+ P, W7 }
举例如下,求 1~100的和。& H$ h" W7 ? @9 z z% h
方法E
' t6 q- _- l$ h0 Uint I , j;6 D. h3 I$ j9 Q, N" h* p& }& P
for (I = 1 ;I<=100; I ++){
: I% ~+ p: @: N' H4 x' e+ U! }j += I;# k7 W/ o" K0 c' D$ R3 X6 P! H3 y
}+ F4 ]0 p6 t6 W+ q* `& p
方法F
& p. D1 v7 ?# {2 g1 wint I;
2 Y8 N5 g$ T2 q7 ]& a" |6 _8 JI = (100 * (1+100)) / 26 Y& o6 c4 D n
( J5 A. g+ Q) {- 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。
+ w C/ u* l3 L5 x. Y" V. C
3 w' n& c( ^0 I, [第3招:使用位操作
5 `5 u: Q3 l- ]$ V( G0 y. D, D" ^7 W) L0 A* w: |
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。
( ~# h, D4 I+ D, N1 U) H, ^, y0 h4 S
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:
4 G# n- |: |2 F2 p9 V5 p5 X! R方法G* W/ _9 A8 K1 n+ @
int I,J;
& [( H+ b* d4 B6 U9 |; BI = 257 /8;8 C$ c+ w9 b' d: w4 ^2 I
J = 456 % 32;, m# `: ]/ _1 \ I
方法H
( n& I: o( w4 ?" f1 iint I,J;4 `: I" X8 c0 Z0 e4 O2 L* s* k3 Q b
I = 257 >>3;
4 Z. d/ a# y4 c. KJ = 456 - (456 >> 4 << 4);
J, _1 t' {0 d4 ]# D3 ] w3 W9 A+ g/ d
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。
- L; B8 A9 g$ D. ~$ q" ?0 W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。- h4 d$ k5 G8 j# Q s+ w$ r$ _
% f) ?' w5 E$ d5 u
第4招:汇编嵌入& @5 F* `) t* G) X! A$ u
. t, w B( P2 o( p
高效C语言编程的必杀技,第四招——嵌入汇编。
1 }1 ]) Z6 v6 @
+ n% S( U! z, ?; ^8 ^ “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。, f6 n! l$ R3 ~' K( `
9 O; Q: k: V1 \ 举例如下,将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。' B U+ V: i* u& @6 H8 b( c1 w
char string1[1024],string2[1024];# j9 \3 ?8 h& K* u8 m9 M5 S' M
方法I8 ]; I9 r; b! }1 m( ?# R% A
int I;
, J8 ^7 |8 @3 t' R3 zfor (I =0 ;I<1024;I++); F1 U3 e! N0 i1 d+ q
*(string2 + I) = *(string1 + I)
% ^* p4 }7 C0 h& K方法J0 w( R5 C. _$ T F u
#ifdef _PC_
8 L5 d/ ~) j+ [7 k0 g; Lint I;
& o: B8 l" f2 e3 G1 Ifor (I =0 ;I<1024;I++)
! x3 {4 t5 q: c+ B. t9 j*(string2 + I) = *(string1 + I);
; C B2 T' X2 c5 [/ j" M O#else
+ c+ `. T# d# ^#ifdef _ARM_3 ?3 {1 t% W. }1 c, d G5 A+ }
__asm
2 D) W* |; Q D6 ?& A8 D& b{& m; A Q1 T( p! ?
MOV R0,string16 u6 J* K0 Z/ A" t _
MOV R1,string20 C0 m7 K' |. @$ I& k3 V$ F8 [' T
MOV R2,#0 i/ F: o6 [) H* L a# X
loop:
5 h& H, `! B; T* T- Y$ ^0 \LDMIA R0!, [R3-R11]
( ?; Q$ H3 T) L5 N$ pSTMIA R1!, [R3-R11]
+ W) z- V5 T! kADD R2,R2,#8+ `1 _, S5 t# \+ j" c9 ]/ T
CMP R2, #400( J. D; \, Q& C- W# V& D. f# ~
BNE loop
$ ~6 O; r& K2 J2 ]9 ?9 \}: |. c: i' Z _* L* n6 Q
#endif) D8 [; x/ i- z) M9 r5 Q& x
" Q; ?- F# q- A7 j( l
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。, N, |( k/ I m5 E
6 a9 u2 o: _2 I5 z3 ^
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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