手把手教你如何最佳化C語言程式

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程式進行最佳化,通常是指最佳化程式碼或程式執行速度。最佳化代碼和最佳化速度實際上是一個予盾的統一,一般是最佳化了代碼的尺寸,就會帶來執行時間的增加,如果最佳化了程式的執行速度,通常會帶來代碼增加的副作用,很難魚與熊掌兼得,只能在設計時掌握一個平衡點 

一、程式結構的最佳化

1、程式的書寫結構
雖然書寫格式並不會影響產生的程式碼品質,但是在 實際編寫程式時還是應該尊循一定的書寫規則,一個書寫清晰、明了的程式,有利於以後的維護。在書寫程式時,特別是對於While、for、 do…while、if…elst、switch…case等語句或這些語句嵌套組合時,應採用“縮格”的書寫形式,

2、標識符
程式中使用的使用者識別碼除要遵循標識符的命名規則以外,一般不要用代數符號(如a、b、x1、y1)作為變數名,應選取具有相關含義的英文單詞(或縮寫)或漢語拼音作為標識符,以增加程式的可讀性,如:count、number1、red、work等。

3、程式結構
C語言是一種進階程式設計語言,提供了十分完備的正常化流程式控制制結構。因此在採用C語言設計單片機應用系統程式時,首先要注意 儘可能採用結構化的程式設計方法,這樣可使整個應用系統程式結構清晰,便於調試和維護。於一個較大的應用程式,通常將整個程式按功能分成若干個模組,不同 模組完成不同的功能。各個模組可以分別編寫,甚至還可以由不同的程式員編寫,一般單個模組完成的功能較為簡單,設計和調試也相對容易一些。在C語言中,一 個函數就可以認為是一個模組。所謂程式模組化,不僅是要將整個程式劃分成若干個功能模組,更重要的是,還應該注意保持各個模組之間變數的相對獨立性,即保 持模組的獨立性,盡量少使用全域變數等。對於一些常用的功能模組,還可以封裝為一個應用程式庫,以便需要時可以直接調用。但是在使用模組化時,如果將模組 分成太細太小,又會導致程式的執行效率變低(進入和退出一個函數時保護與復原寄存器佔用了一些時間)。

4、定義常數
在程式化設計過程中,對於經常使用的一些常數,如果將它直接寫到程式中去,一旦常數的數值發生變化,就必須逐個找出程式中所有的常數,並逐一進行修改,這樣必然會降低程式的可維護性。因此,應盡量當採用預先處理命令方式來定義常數,而且還可以避免輸入錯誤。

5、減少判斷語句
能夠使用條件編譯(ifdef)的地方就使用條件編譯而不使用if語句,有利於減少編譯產生的程式碼的長度,能夠不用判斷語句則少用判斷用語句。

6、運算式
對於一個運算式中各種運算執行的優先順序不太明確或容易混淆的地方,應當採用圓括弧明確指定它們的優先順序。一個運算式通常不能寫得太複雜,如果運算式太複雜,時間久了以後,自己也不容易看得懂,不利於以後的維護。

7、函數
對於程式中的函數,在使用之前,應對函數的類型進行說明,對函數類型的說明必須保證它與原來定義的函數類型一致,對於沒有參數和沒 有傳回值類型的函數應加上“void”說明。如果果需要縮短代碼的長度,可以將程式中一些公用的程式段定義為函數,在Keil中的進階別最佳化就是這樣的。 如果需要縮短程式的執行時間,在程式調試結束後,將部分函數用宏定義來代替。注意,應該在程式調試結束後再定義宏,因為大多數編譯系統在宏展開之後才會報 錯,這樣會增加排錯的難度。

8、盡量少用全域變數,多用局部變數。
因為全域變數是放在資料存放區器中,定義一個全域變數,MCU就少一個可以利用的資料存放區器空間,如果 定義了太多的全域變數,會導致編譯器無足夠的記憶體可以分配。而局部變數大多定位於MCU內部的寄存器中,在絕大多數MCU中,使用寄存器操作速度比資料存 儲器快,指令也更多更靈活,有利於產生品質更高的代碼,而且局部變數所的佔用的寄存器和資料存放區器在不同的模組中可以重複利用。

9、設定合適的編譯器選項
許多編譯器有幾種不同的最佳化選項,在使用前應理解各最佳化選項的含義,然後選用最合適的一種最佳化方式。通常情況 下一旦選用最進階最佳化,編譯器會近乎病態地追求代碼最佳化,可能會影響程式的正確性,導致程式運行出錯。因此應熟悉所使用的編譯器,應知道哪些參數在最佳化 時會受到影響,哪些參數不會受到影響。
在ICCAVR中,有“Default”和“Enable Code Compression”兩個最佳化選項。
在CodeVisionAVR中,“Tiny”和“small”兩種記憶體模式。
在IAR中,共有7種不同的記憶體模式選項。
在GCCAVR中最佳化選項更多,一不小心更容易選到不恰當的選項。

二、代碼的最佳化

1、選擇合適的演算法和資料結構
應該熟悉演算法語言,知道各種演算法的優缺 點,具體資料請參見相應的參考資料,有很多電腦書籍上都有介紹。將比較慢的順序尋找法用較快的二分尋找或亂序尋找法代替,插入排序或冒泡排序法用快速排 序、合并排序或根排序代替,都可以大大提高程式執行的效率。.選擇一種合適的資料結構也很重要,比如你在一堆隨機存放的數中使用了大量的插入和刪除指令, 那使用鏈表要快得多。
數組與指標語句具有十分密碼的關係,一般來說,指標比較靈活簡潔,而數組則比較直觀,容易理解。對於大部分的編譯器,使用指標比使用數組產生的程式碼更短,執行效率更高。但是在Keil中則相反,使用數組比使用的指標產生的程式碼更短。。

3、使用盡量小的資料類型
能夠使用字元型(char)定義的變數,就不要使用整型(int)變數來定義;能夠使用整型變數定義的變數就不要 用長整型(long int),能不使用浮點型(float)變數就不要使用浮點型變數。當然,在定義變數後不要超過變數的作用範圍,如果超過變數的範圍賦值,C編譯器並不報 錯,但程式運行結果卻錯了,而且這樣的錯誤很難發現。
在ICCAVR中,可以在Options中設定使用printf參數,盡量使用基本型參數 (%c、%d、%x、%X、%u和%s格式說明符),少用長整型參數(%ld、%lu、%lx和%lX格式說明符),至於浮點型的參數(%f)則盡量不要 使用,其它C編譯器也一樣。在其它條件不變的情況下,使用%f參數,會使產生的程式碼的數量增加很多,執行速度降低。

4、使用自加、自減指令
通常使用自加、自減指令和複合賦值運算式(如a-=1及a+=1等)都能夠產生高品質的程式碼,編譯器通常都能夠 產生inc和dec之類的指令,而使用a=a+1或a=a-1之類的指令,有很多C編譯器都會產生二到三個位元組的指令。在AVR單片適用的ICCAVR、 GCCAVR、IAR等C編譯器以上幾種書寫方式產生的程式碼是一樣的,也能夠產生高品質的inc和dec之類的的代碼。

5、減少運算的強度
可以使用運算量小但功能相同的運算式替換原來複雜的的運算式。如下:

(1)、求餘運算。
     a=a%8;
可以改為:
     a=a&7;
說明:位操作只需一個指令周期即可完成,而大部分的C編譯器的“%”運算均是調用子程式來完成,代碼長、執行速度慢。通常,只要求是求2n方的餘數,均可使用位操作的方法來代替。

(2)、平方運算
     a=pow(a,2.0);
可以改為:
     a=a*a;
說明:在有內建硬體乘法 器的單片機中(如51系列),乘法運算比求平方運算快得多,因為浮點數的求平方是通過調用子程式來實現的,在內建硬體乘法器的AVR單片機中,如 ATMega163中,乘法運算只需2個刻度就可以完成。既使是在沒有內建硬體乘法器的AVR單片機中,乘法運算的子程式比平方運算的子程式碼短, 執行速度快。

如果是求3次方,如:
     a=pow(a,3.0);
更改為:
     a=a*a*a;
則效率的改善更明顯。

(3)、用移位實現乘除法運算
     a=a*4;
     b=b/4;
可以改為:
     a=a<<2;
     b=b>>2;
說 明:通常如果需要乘以或除以2n,都可以用移位的方法代替。在ICCAVR中,如果乘以2n,都可以產生左移的代碼,而乘以其它的整數或除以任何數,均調 用乘除法子程式。用移位的方法得到代碼比調用乘除法子程式產生的程式碼效率高。實際上,只要是乘以或除以一個整數,均可以用移位的方法得到結果,如:
     a=a*9
可以改為:
     a=(a<<3)+a

6、迴圈
(1)、迴圈語
     對於一些不需要迴圈變數參加運算的任務可以把它們放到迴圈外面,這裡的任務包括運算式、函數的調用、指標運算、數組訪問等,應該將沒有必要執行多次的操作全部集合在一起,放到一個init的初始化程式中進行。

(2)、延時函數:
     通常使用的延時函數均採用自加的形式:
     void delay (void)
     {
unsigned int i;
     for (i=0;i<1000;i++)

     }
將其改為自減延時函數:
     void delay (void)
     {
unsigned int i;
         for (i=1000;i>0;i--)

     }
兩個函數的延時效果相似,但幾乎所有的C編譯對後一種函數產生的程式碼均比前一種代碼少1~3個位元組,因為幾乎所有的MCU均有為0轉移的指令,採用後一種方式能夠產生這類指令。
在使用while迴圈時也一樣,使用自減指令控制迴圈會比使用自加指令控制迴圈產生的程式碼更少1~3個字母。
但是在迴圈中有通過迴圈變數“i”讀寫數組的指令時,使用預減迴圈時有可能使數組超界,要引起注意。

(3)while迴圈和do…while迴圈
用while迴圈時有以下兩種迴圈形式:
unsigned int i;
     i=0;
     while (i<1000)
     {
         i++;
    //使用者程式
     }
或:
unsigned int i;
     i=1000;
     do
     i--;
     //使用者程式
     while (i>0);
在這兩種迴圈中,使用do…while迴圈編譯後產生的程式碼的長度短於while迴圈。

7、查表
在程式中一般不進行非常複雜的運算,如浮點數的乘除及開方等,以及一些複雜的數學模型的插補運算,對這些即消耗時間又消費資源的運 算,應盡量使用查表的方式,並且將資料表置於程式儲存區。如果直接產生所需的表比較困難,也盡量在啟動時先計算,然後在資料存放區器中產生所需的表,後以在 程式運行直接查表就可以了,減少了程式執行過程中重複計算的工作量。

8、其它
比如使用線上彙編及將字串和一些常量儲存在程式儲存空間中,均有利於最佳化。

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