2007年4月3日 星期二

編程秘笈篇:C語言高效編程的四大絕招

編程秘笈篇:C語言高效編程的四大絕招
編寫高效簡潔的C語言代碼,是許多軟體工程師追求的目標。本文就是針對編程工作中的一些體會和經驗做相關的闡述。

第一招:以空間換時間

電腦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。比如說字串的賦值:

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。在同樣的存儲空間下,B直接使用指標就可以操作了,而A需要調用兩個字元函數才能完成。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。
如果系統的即時性要求很高,記憶體還有一些,那我推薦你使用該招數。該招數的變招--使用巨集函數而不是函數。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);

函數和巨集函數的區別就在於,巨集函數佔用了大量的空間,而函數佔用了時間。大家要知道的是,函數調用是要使用系統的棧來保存資料的,如果編譯器裏有棧檢查選項,一般在函數的頭會嵌入一些彙編語句對當前棧進行檢查;同時,CPU也要在函數調用時保存和恢復當前的現場,進行壓棧和彈棧操作,所以,函數調用需要一些CPU時間。
而巨集函數不存在這個問題。巨集函數僅僅作為預先寫好的代碼嵌入到當前程式,不會產生函數調用,所以僅僅是佔用了空間,在頻繁調用同一個巨集函數的時候,該現象尤其突出。
D方法是我看到的最好的置位元操作函數,是ARM公司源碼的一部分,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。

第二招: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。數學是電腦之母,沒有數學的依據和基礎,就沒有電腦的發展,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,是我的電腦啟蒙老師考我的。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,現在我在編程式的時候,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運行的效率。
第三招: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。在電腦程式中資料的位元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。一般的位元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運行的效率。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,仔細查看產生的彙編代碼就會明白,方法G調用了基本的取模函數和除法函數,既有函數調用,還有很多彙編代碼和寄存器參與運算;而方法H則僅僅是幾句相關的彙編,代碼更簡潔,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。相關彙編代碼就不在這裏列舉了。
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上調試通過,在移植到一個16位機平臺上的時候,可能會產生代碼隱患。所以只有在一定技術進階的基礎下才可以使用這招。
第四招:彙編嵌入
高效C語言編程的必殺技,第四招——嵌入彙編。"在熟悉組合語言的人眼裏,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電腦語言,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,混合編程。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。這裏有朋友會說,為什麼不用標準的記憶體拷貝函數呢?這是因為在源資料裏可能含有資料為0的位元組,這樣的話,標準庫函數會提前結束而不會完成我們要求的操作。這個常式典型應用於LCD資料的拷貝過程。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,便限制了程式的可攜性,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。

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