C語言高效程式設計的幾招(轉)

C語言高效程式設計的幾招(轉)[@more@]

C語言高效程式設計的幾招

2003-10-08[中][摘]華中科技大學 丁學[文]

引 言：

　　編寫高效簡潔的C語言程式碼，是許多軟體工程師追求的目標。本文就工作中的一些體會和經驗做相關的闡述，不對的地方請各位指教。

第1招：以空間換時間

　　計算機程式中最大的矛盾是空間和時間的矛盾，那麼，從這個角度出發逆向思維來考慮程式的效率問題，我們就有了解決問題的第1招——以空間換時間。

例如：字串的賦值。

方法A，通常的辦法：

#define LEN 32

char string1 [LEN];

memset (string1,0,LEN);

strcpy (string1,“This is a example!!”）;

方法B：

const char string2[LEN] =“This is a example!”;

char * cp;

cp = string2 ;

(使用的時候可以直接用指標來操作。)

　　從上面的例子可以看出，A和B的效率是不能比的。在同樣的儲存空間下，B直接使用指標就可以操作了，而A需要呼叫兩個字元函式才能完成。B的缺點在於靈活性沒有A好。在需要頻繁更改一個字串內容的時候，A具有更好的靈活性；如果採用方法B，則需要預存許多字串，雖然佔用了大量的記憶體，但是獲得了程式執行的高效率。

　　如果系統的實時性要求很高，記憶體還有一些，那我推薦你使用該招數。

　　該招數的變招——使用宏函式而不是函式。舉例如下：

方法C：

#define bwMCDR2_ADDRESS 4

#define bsMCDR2_ADDRESS 17

int BIT_MASK(int __bf)

{

return ((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf);

}

void SET_BITS(int __dst, int __bf, int __val)

{

__dst = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) |

(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))

}

SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);

方法D：

#define bwMCDR2_ADDRESS 4

#define bsMCDR2_ADDRESS 17

#define bmMCDR2_ADDRESS BIT_MASK(MCDR2_ADDRESS)

#define BIT_MASK(__bf) (((1U << (bw ## __bf)) - 1) << (bs ## __bf))

#define SET_BITS(__dst, __bf, __val)

((__dst) = ((__dst) & ~(BIT_MASK(__bf))) |

(((__val) << (bs ## __bf)) & (BIT_MASK(__bf))))

SET_BITS(MCDR2, MCDR2_ADDRESS, RegisterNumber);

　　函式和宏函式的區別就在於，宏函式佔用了大量的空間，而函式佔用了時間。大家要知道的是，函式呼叫是要使用系統的棧來儲存資料的，如果編譯器裡有棧檢查選項，一般在函式的頭會嵌入一些彙編語句對當前棧進行檢查；同時，CPU也要在函式呼叫時儲存和恢復當前的現場，進行壓棧和彈棧操作，所以，函式呼叫需要一些CPU時間。而宏函式不存在這個問題。宏函式僅僅作為預先寫好的程式碼嵌入到當前程式，不會產生函式呼叫，所以僅僅是佔用了空間，在頻繁呼叫同一個宏函式的時候，該現象尤其突出。

　　D方法是我看到的最好的置位操作函式，是ARM公司原始碼的一部分，在短短的三行內實現了很多功能，幾乎涵蓋了所有的位操作功能。C方法是其變體，其中滋味還需大家仔細體會。

第2招：數學方法解決問題

　　現在我們演繹高效C語言編寫的第二招——採用數學方法來解決問題。

　　數學是計算機之母，沒有數學的依據和基礎，就沒有計算機的發展，所以在編寫程式的時候，採用一些數學方法會對程式的執行效率有數量級的提高。

舉例如下，求 1~100的和。

方法E

int I , j;

for (I = 1 ;I<=100; I ++）{

j += I;

}

方法F

int I;

I = (100 * (1+100)) / 2

　　這個例子是我印象最深的一個數學用例，是我的計算機啟蒙老師考我的。當時我只有小學三年級，可惜我當時不知道用公式 N×（N+1）/ 2 來解決這個問題。方法E迴圈了100次才解決問題，也就是說最少用了100個賦值，100個判斷，200個加法（I和j）；而方法F僅僅用了1個加法，1 次乘法，1次除法。效果自然不言而喻。所以，現在我在程式設計序的時候，更多的是動腦筋找規律，最大限度地發揮數學的威力來提高程式執行的效率。

第3招：使用位操作

　　實現高效的C語言編寫的第三招——使用位操作，減少除法和取模的運算。

　　在計算機程式中，資料的位是可以操作的最小資料單位，理論上可以用“位運算”來完成所有的運算和操作。一般的位操作是用來控制硬體的，或者做資料變換使用，但是，靈活的位操作可以有效地提高程式執行的效率。舉例如下：

方法G

int I,J;

I = 257 /8;

J = 456 % 32;

方法H

int I,J;

I = 257 >>3;

J = 456 - (456 >> 4 << 4);

　　在字面上好像H比G麻煩了好多，但是，仔細檢視產生的彙編程式碼就會明白，方法G呼叫了基本的取模函式和除法函式，既有函式呼叫，還有很多彙編程式碼和暫存器參與運算；而方法H則僅僅是幾句相關的彙編，程式碼更簡潔，效率更高。當然，由於編譯器的不同，可能效率的差距不大，但是，以我目前遇到的MS C ,ARM C 來看，效率的差距還是不小。相關彙編程式碼就不在這裡列舉了。

運用這招需要注意的是，因為CPU的不同而產生的問題。比如說，在PC上用這招編寫的程式，並在PC上除錯透過，在移植到一個16位機平臺上的時候，可能會產生程式碼隱患。所以只有在一定技術進階的基礎下才可以使用這招。

第4招：彙編嵌入

　　高效C語言程式設計的必殺技，第四招——嵌入彙編。

　　“在熟悉組合語言的人眼裡，C語言編寫的程式都是垃圾”。這種說法雖然偏激了一些，但是卻有它的道理。組合語言是效率最高的計算機語言，但是，不可能靠著它來寫一個作業系統吧?所以，為了獲得程式的高效率，我們只好採用變通的方法 ——嵌入彙編，混合程式設計。

　　舉例如下，將陣列一賦值給陣列二,要求每一位元組都相符。

char string1[1024],string2[1024];

方法I

int I;

for (I =0 ;I<1024;I++)

*(string2 + I) = *(string1 + I)

方法J

#ifdef _PC_

int I;

for (I =0 ;I<1024;I++)

*(string2 + I) = *(string1 + I);

#else

#ifdef _ARM_

__asm

{

MOV R0,string1

MOV R1,string2

MOV R2,#0

loop:

LDMIA R0!, [R3-R11]

STMIA R1!, [R3-R11]

ADD R2,R2,#8

CMP R2, #400

BNE loop

}

#endif

　　方法I是最常見的方法，使用了1024次迴圈；方法J則根據平臺不同做了區分，在ARM平臺下，用嵌入彙編僅用128次迴圈就完成了同樣的操作。這裡有朋友會說，為什麼不用標準的記憶體複製函式呢?這是因為在源資料裡可能含有資料為0的位元組，這樣的話，標準庫函式會提前結束而不會完成我們要求的操作。這個例程典型應用於LCD資料的複製過程。根據不同的CPU，熟練使用相應的嵌入彙編，可以大大提高程式執行的效率。

　　雖然是必殺技，但是如果輕易使用會付出慘重的代價。這是因為，使用了嵌入彙編，便限制了程式的可移植性，使程式在不同平臺移植的過程中，臥虎藏龍，險象環生！同時該招數也與現代軟體工程的思想相違背，只有在迫不得已的情況下才可以採用。切記，切記。

　　使用C語言進行高效率程式設計，我的體會僅此而已。在此以本文拋磚引玉，還請各位高手共同切磋。希望各位能給出更好的方法，大家一起提高我們的程式設計技巧