C语言高效编程的几招

墨蓝 2022-09-18 09:53 168阅读 0赞

文章来源：单片机及嵌入式系统应用    
摘要：以凌阳单片机为例详细介绍μC/OS-II的移植方法；重点讲解在系统移植过程中一些难以理解的概念，并首次实现了μC/OS-II在凌阳SPCE061A单片机上的移植。

引 言：  
    编写高效简洁的C语言代码，是许多软件工程师追求的目标。本文就工作中的一些体会和经验做相关的阐述，不对的地方请各位指教。

第1招：以空间换时间

计算机程序中最大的矛盾是空间和时间的矛盾，那么，从这个角度出发逆向思维来考虑程序的效率问题，我们就有了解决问题的第1招——以空间换时间。例如：字符串的赋值。  
      方法A，通常的办法：  
       \#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 ;  
       (使用的时候可以直接用指针来操作。)

从上面的例子可以看出，A和B的效率是不能比的。在同样的存储空间下，B直接使用指针就可以操作了，而A需要调用两个字符函数才能完成。B的缺点在于灵活性没有A好。在需要频繁更改一个字符串内容的时候，A具有更好的灵活性；如果采用方法B，则需要预存许多字符串，虽然占用了大量的内存，但是获得了程序执行的高效率。如果系统的实时性要求很高，内存还有一些，那我推荐你使用该招数。该招数的变招——使用宏函数而不是函数。举例如下：  
      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);

函数和宏函数的区别就在于，宏函数占用了大量的空间，而函数占用了时间。大家要知道的是，函数调用是要使用系统的栈来保存数据的，如果编译器里有栈检查选项，一般在函数的头会嵌入一些汇编语句对当前栈进行检查；同时，CPU也要在函数调用时保存和恢复当前的现场，进行压栈和弹栈操作，所以，函数调用需要一些CPU时间。而宏函数不存在这个问题。宏函数仅仅作为预先写好的代码嵌入到当前程序，不会产生函数调用，所以仅仅是占用了空间，在频繁调用同一个宏函数的时候，该现象尤其突出。

D方法是我看到的最好的置位操作函数，是ARM公司源码的一部分，在短短的三行内实现了很多功能，几乎涵盖了所有的位操作功能。C方法是其变体，其中滋味还需大家仔细体会。

第2招：数学方法解决问题

现在我们演绎高效C语言编写的第二招——采用数学方法来解决问题。

数学是计算机之母，没有数学的依据和基础，就没有计算机的发展，所以在编写程序的时候，采用一些数学方法会对程序的执行效率有数量级的提高。举例如下，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

这个例子是我印象最深的一个数学用例，是我的计算机启蒙老师考我的。当时我只有小学三年级，可惜我当时不知道用公式 N×（N+1）/ 2 来解决这个问题。方法E循环了100次才解决问题，也就是说最少用了100个赋值，100个判断，200个加法（I和j）；而方法F仅仅用了1个加法，1次乘法，1次除法。效果自然不言而喻。所以，现在我在编程序的时候，更多的是动脑筋找规律，最大限度地发挥数学的威力来提高程序运行的效率。

第3招：使用位操作

实现高效的C语言编写的第三招——使用位操作，减少除法和取模的运算。

在计算机程序中，数据的位是可以操作的最小数据单位，理论上可以用“位运算”来完成所有的运算和操作。一般的位操作是用来控制硬件的，或者做数据变换使用，但是，灵活的位操作可以有效地提高程序运行的效率。举例如下：  
      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麻烦了好多，但是，仔细查看产生的汇编代码就会明白，方法G调用了基本的取模函数和除法函数，既有函数调用，还有很多汇编代码和寄存器参与运算；而方法H则仅仅是几句相关的汇编，代码更简洁，效率更高。当然，由于编译器的不同，可能效率的差距不大，但是，以我目前遇到的MS C ,ARM C 来看，效率的差距还是不小。相关汇编代码就不在这里列举了。  
    运用这招需要注意的是，因为CPU的不同而产生的问题。比如说，在PC上用这招编写的程序，并在PC上调试通过，在移植到一个16位机平台上的时候，可能会产生代码隐患。所以只有在一定技术进阶的基础下才可以使用这招。

第4招：汇编嵌入 高效C语言编程的必杀技，第四招——嵌入汇编。

“在熟悉汇编语言的人眼里，C语言编写的程序都是垃圾”。这种说法虽然偏激了一些，但是却有它的道理。汇编语言是效率最高的计算机语言，但是，不可能靠着它来写一个操作系统吧?所以，为了获得程序的高效率，我们只好采用变通的方法 ——嵌入汇编，混合编程。

举例如下，将数组一赋值给数组二,要求每一字节都相符。  
       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是最常见的方法，使用了1024次循环；方法J则根据平台不同做了区分，在ARM平台下，用嵌入汇编仅用128次循环就完成了同样的操作。这里有朋友会说，为什么不用标准的内存拷贝函数呢?这是因为在源数据里可能含有数据为0的字节，这样的话，标准库函数会提前结束而不会完成我们要求的操作。这个例程典型应用于LCD数据的拷贝过程。根据不同的CPU，熟练使用相应的嵌入汇编，可以大大提高程序执行的效率。

虽然是必杀技，但是如果轻易使用会付出惨重的代价。这是因为，使用了嵌入汇编，便限制了程序的可移植性，使程序在不同平台移植的过程中，卧虎藏龙，险象环生！同时该招数也与现代软件工程的思想相违背，只有在迫不得已的情况下才可以采用。切记，切记。

使用C语言进行高效率编程，我的体会仅此而已。在此以本文抛砖引玉，还请各位高手共同切磋。希望各位能给出更好的方法，大家一起提高我们的编程技巧。