C語言高效編程的的四大絕招

2019-11-17 05:05:42

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引言：

　　編寫高效簡潔的C語言代碼，是許多軟件工程師追求的目標。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。

　　第一招：以空間換時間

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

　　例如：字符串的賦值。

　　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針來操作。

　　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直接使用指針就可以操作了，而A需要調用兩個字符函數才能完成。B的缺點在于靈活性沒有A好。在需要頻繁更改一個字符串內容的時候，A具有更好的靈活性；假如采用方法B，則需要預存許多字符串，雖然占用了大量的內存，但是獲得了程序執行的高效率。

　　假如系統的實時性要求很高，內存還有一些，那我推薦你使用該招數。該招數的變招--使用宏函數而不是函數。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);

　　函數和宏函數的區別就在于，宏函數占用了大量的空間，而函數占用了時間。大家要知道的是，函數調用是要使用系統的棧來保存數據的，假如編譯器里有棧檢查選項，一般在函數的頭會嵌入一些匯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。而宏函數不存在這個問題。宏函數僅僅作為預先寫好的代碼嵌入到當前程序，不會產生函數調用，所以僅僅是占用了空間，在頻繁調用同一個宏函數的時候，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。

更多內容請看C/C++進階技術文檔 java編程開發手冊專題，或第二招：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--采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，所以在編寫程序的時候，采用一些數學方法會對程序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循環了100次才解決問題，也就是說最少用了100個賦值，100個判定，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序運行的效率。

　　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。在計算機程序中，數據的位是可以操作的最小數據單位，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件的，或者做數據變換使用，但是，靈活的位操作可以有效地提高程序運行的效率。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);

　　在字面上似乎H比G麻煩了好多，但是，仔細查看產生的匯編代碼就會明白，方法G調用了基本的取模函數和除法函數，既有函數調用，還有很多匯編代碼和寄存器參與運算；而方法H則僅僅是幾句相關的匯編，代碼更簡潔，效率更高。當然，由于編譯器的不同，可能效率的差距不大，但是，以我目前碰到的MS C ,ARM C 來看，效率的差距還是不小。相關匯編代碼就不在這里列舉了。

　　運用這招需要注重的是，因為CPU的不同而產生的問題。比如說，在PC上用這招編寫的程序，并在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。

更多內容請看C/C++進階技術文檔 Java編程開發手冊專題，或第四招：匯編嵌入

　　高效C語言編程的必殺技，第四招——嵌入匯編。"在熟悉匯編語言的人眼里，C語言編寫的程序都是垃圾"。這種說法雖然偏激了一些，但是卻有它的道理。

匯編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操作系統吧?所以，為了獲得程序的高效率，我們只好采用變通的方法 --嵌入匯編，混合編程。舉例如下，將數組一賦值給數組二,要求每一字節都相符。

　　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次循環；方法J則根據平臺不同做了區分，在ARM平臺下，用嵌入匯編僅用128次循環就完成了同樣的操作。這里有朋友會說，為什么不用標準的內存拷貝函數呢?這是因為在源數據里可能含有數據為0的字節，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。這個例程典型應用于LCD數據的拷貝過程。根據不同的CPU，熟練使用相應的嵌入匯編，可以大大提高程序執行的效率。

　　雖然是必殺技，但是假如輕易使用會付出慘重的代價。這是因為，使用了嵌入匯編，便限制了程序的可移植性，使程序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件工程的思想相違反，只有在迫不得已的情況下才可以采用。切記，切記。

　　使用C語言進行高效率編程，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編程技巧。

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