C語言高效編程的幾招

C語言高效編程的幾招
  華中科技大學 丁學
   
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

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，我們就有瞭解決問題的第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 an example!!"
方法B:

const char string2[LEN]="This is an 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，則需要預存許多字元
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。

該招數的邊招--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 ((IU<<(bw##_bf))-1)<<(bs##_bf);

}

void SET_BITS(int_dst,int_bf,int_val)

{

_dst=((_dst) & ~ (BIT_MASK(_bf)))I\ (((_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)))I (((_val)<<
(bs##_bf))&(BIT_MASK(_bf))))

SET_BITS(MCDR2,MCDR2_ADDRESS,RegisterNumber);

函數和宏函數的區別就在於，宏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儲存資料的，如果編譯器裡有棧檢查選項，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也要在函數調用時儲存和恢複當前的
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。

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，是我的餓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Nx(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個乘法、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啟動並執行效率。

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，減少除法和模數的運算。

在電腦程式中，資料的位是可以操作的最小資料單位，理論上可以用“位元運算”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啟動並執行效率。舉例台如下：

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);

在字面上好象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
本的模數函數和除法函數，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
序，並在PC上調試通過，在移植到一個16位機平台上的時候，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4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電腦語言，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，將數組一賦值給數組二，要求每一個位元組都相符。char string1[1024],
string2[1024];

方法I

int I;

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

*(string2+I)=*(string1+I)
方法J

#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則根據平台不同做了區分，在ARM平台
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
記憶體拷貝函數呢？這是因為在來源資料裡可能含有資料為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
了程式的可移植性，使程式在不同平台移植的過程中，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。

使用C語言進行高效率編程，我的體會僅此而已。在此已本文拋磚引玉，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。
  

                                                                                
        摘自《單片機與嵌入式系統應用》2003.9