C语言优化（转贴）

╰半夏微凉° 2022-09-20 12:55 196阅读 0赞

最近要进行xvid源码的优化工作，从网上so了几篇优化方面的blog，贴出来。谢谢这些blog的主人:)

BLOG-1 如何优化C语言代码

来源：电子工程师笔记　作者：疯子海　时间：2006-03-13　发布人: [admin][]

**　　1、选择合适的算法和数据结构**  
　　应该熟悉算法语言，知道各种算法的优缺点，具体资料请参见相应的参考资料，有很多计算机书籍上都有介绍。将比较慢的顺序查找法用较快的二分查找或乱序查找法代替，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，都可以大大提高程序执行的效率。.选择一种合适的数据结构也很重要，比如你在一堆随机存放的数中使用了大量的插入和删除指令，那使用链表要快得多。数组与指针语句具有十分密码的关系，一般来说，指针比较灵活简洁，而数组则比较直观，容易理解。对于大部分的编译器，使用指针比使用数组生成的代码更短，执行效率更高。但是在Keil中则相反，使用数组比使用的指针生成的代码更短。。  
  
　　**2。。。**  
   
**　　3、使用尽量小的数据类型**   
能够使用字符型(char)定义的变量，就不要使用整型(int)变量来定义；能够使用整型变量定义的变量就不要用长整型(long int)，能不使用浮点型(float)变量就不要使用浮点型变量。当然，在定义变量后不要超过变量的作用范围，如果超过变量的范围赋值，C编译器并不报错，但程序运行结果却错了，而且这样的错误很难发现。  
在ICCAVR中，可以在Options中设定使用printf参数，尽量使用基本型参数(%c、  
%d、%x、%X、%u和%s格式说明符)，少用长整型参数(%ld、%lu、%lx和%lX格式说明 符)，至于浮点型的参数(%f)则尽量不要使用，其它C编译器也一样。在其它条件不 变的情况下，使用%f参数，会使生成的代码的数量增加很多，执行速度降低。  
  
 **　　4、使用自加、自减指令**  
　　通常使用自加、自减指令和复合赋值表达式(如a-=1及a+=1等)都能够生成高质量的  
程序代码，编译器通常都能够生成inc和dec之类的指令，而使用a=a+1或a=a-1之类  
的指令，有很多C编译器都会生成二到三个字节的指令。在AVR单片适用的ICCAVR、 GCCAVR、IAR等C编译器以上几种书写方式生成的代码是一样的，也能够生成高质量 的inc和dec之类的的代码。  
  
**　　5、减少运算的强度**  
　　可以使用运算量小但功能相同的表达式替换原来复杂的的表达式。如下：  
  
(1)、求余运算。  
a=a%8;  
可以改为：  
a=a&7;  
说明：位操作只需一个指令周期即可完成，而大部分的C编译器的“%”运算均是调 用子程序来完成，代码长、执行速度慢。通常，只要求是求2n方的余数，均可使用 位操作的方法来代替。  
  
(2)、平方运算  
a=pow(a,2.0);  
可以改为：  
a=a\*a;  
说明：在有内置硬件乘法器的**单片机**中(如51系列)，乘法运算比求平方运算快得多，因为浮点数的求平方是通过调用子程序来实现的，在自带硬件乘法器的AVR单片机中，如ATMega163中，乘法运算只需2个时钟周期就可以完成。既使是在没有内置 硬件乘法器的AVR**单片机**中，乘法运算的子程序比平方运算的子程序代码短，执行速度快。  
如果是求3次方，如：  
a=pow(a,3.0);  
更改为：  
a=a\*a\*a；  
则效率的改善更明显。  
  
(3)、用移位实现乘除法运算  
a=a\*4;  
b=b/4;  
可以改为：  
a=a<<2;  
b=b>>2;  
说明：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，都可以生成左移的代码，而乘以其它的整数或除以任何数，均调用乘除法 子程序。用移位的方法得到代码比调用乘除法子程序生成的代码效率高。实际上， 只要是乘以或除以一个整数，均可以用移位的方法得到结果，如：  
a=a\*9  
可以改为：  
a=(a<<3)+a  
  
**　　6、循环**  
  
(1)、循环语  
对于一些不需要循环变量参加运算的任务可以把它们放到循环外面，这里的任务包括表达式、函数的调用、指针运算、数组访问等，应该将没有必要执行多次的操作全部集合在一起，放到一个init的初始化程序中进行。  
  
(2)、延时函数：  
通常使用的延时函数均采用自加的形式：  
void delay (void)  
\{  
unsigned int i;  
for (i=0;i<1000;i++)  
;  
\}  
将其改为自减延时函数：  
void delay (void)  
\{  
unsigned int i;  
for (i=1000;i>0;i--)  
;  
\}  
　　两个函数的延时效果相似，但几乎所有的C编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少1~3个字节，因为几乎所有的MCU均有为0转移的指令，采用后一种方式能够生成这类指令。在使用while循环时也一样，使用自减指令控制循环会比使用自加指令控制循环生成的代码更少1~3个字母。但是在循环中有通过循环变量“i”读写数组的指令时，使用预减循环时有可能使数组超界，要引起注意。  
  
(3)while循环和do…while循环  
用while循环时有以下两种循环形式：  
unsigned int i;  
i=0;  
while (i<1000)  
\{  
i++;  
//用户程序  
\}  
或：  
unsigned int i;  
i=1000;  
do  
i--;  
//用户程序  
while (i>0);  
在这两种循环中，使用do…while循环编译后生成的代码的长度短于while循环。  
  
**　　7、查表**  
　　在程序中一般不进行非常复杂的运算，如浮点数的乘除及开方等，以及一些复杂的数学模型的插补运算，对这些即消耗时间又消费资源的运算，应尽量使用查表的方式，并且将数据表置于程序存储区。如果直接生成所需的表比较困难，也尽量在启了，减少了程序执行过程中重复计算的工作量。  
  
 **　　8、其它**  
　　比如使用在线汇编及将字符串和一些常量保存在程序存储器中，均有利于优化

**BLOG-2**

在性能优化方面永远注意80-20原则，即20%的程序消耗了80%的运行时间，因而我们要改进效率，最主要是考虑改进那20%的代码。不要优化程序中开销不大的那80%，这是劳而无功的。  
  
**第一招：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。比如说字符串的赋值：  
  
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。  
  
**第二招： 使用宏而不是函数。**  
  
这也是第一招的变招。函数和宏的区别就在于，宏占用了大量的空间，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。 而宏不存在这个问题。宏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的时候，该现象尤其突出。  
  
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);  
  
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。  
  
**第三招：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。  
  
**第四招：使用位操作**  
  
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。  
  
对于以2的指数次方为"\*"、"/"或"%"因子的数学运算，转化为移位运算"<< >>"通常可以提高算法效率。因为乘除运算指令周期通常比移位运算大。  
  
C语言位运算除了可以提高运算效率外，在嵌入式系统的编程中，它的另一个最典型的应用，而且十分广泛地正在被使用着的是位间的与（&）、或 （|）、非（~）操作，这跟嵌入式系统的编程特点有很大关系。我们通常要对硬件寄存器进行位设置，譬如，我们通过将AM186ER型80186处理器的中 断屏蔽控制寄存器的第低6位设置为0（开中断2），最通用的做法是：  
  
  
\#define INT\_I2\_MASK 0x0040  
wTemp = inword(INT\_MASK);  
outword(INT\_MASK, wTemp &~INT\_I2\_MASK);  
  
而将该位设置为1的做法是：  
  
  
\#define INT\_I2\_MASK 0x0040  
wTemp = inword(INT\_MASK);  
outword(INT\_MASK, wTemp | INT\_I2\_MASK);  
  
判断该位是否为1的做法是：  
  
  
\#define INT\_I2\_MASK 0x0040  
wTemp = inword(INT\_MASK);  
if(wTemp & INT\_I2\_MASK)  
\{  
… /\* 该位为1 \*/  
\}  
  
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。  
  
  
**第五招：汇编嵌入**  
  
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。嵌入式C程序中主要使用在线汇编，即在C程序中直接插 入\_asm\{ \}内嵌汇编语句。  
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  
  
再举个例子：  
  
/\* 把两个输入参数的值相加，结果存放到另外一个全局变量中 \*/  
int result;  
void Add(long a, long \*b)  
\{  
\_asm  
\{  
MOV AX, a  
MOV BX, b  
ADD AX, \[BX\]  
MOV result, AX  
\}  
\}  
  
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。  
  
 **第六招， 使用寄存器变量**  
当对一个变量频繁被读写时，需要反复访问内存，从而花费大量的存取时间。为此，C语言提供了一种变量，即寄存器变量。这种变量存放在CPU的寄存器中，使 用时，不需要访问内存，而直接从寄存器中读写，从而提高效率。寄存器变量的说明符是register。对于循环次数较多的循环控制变量及循环体内反复使用 的变量均可定义为寄存器变量，而循环计数是应用寄存器变量的最好候选者。  
  
(1) 只有局部自动变量和形参才可以定义为寄存器变量。因为寄存器变量属于动态存储方式，凡需要采用静态存储方式的量都不能定义为寄存器变量，包括：模块间全局变量、模块内全局变量、局部static变量；  
  
(2) register是一个"建议"型关键字，意指程序建议该变量放在寄存器中，但最终该变量可能因为条件不满足并未成为寄存器变量，而是被放在了存储器中，但编译器中并不报错（在C++语言中有另一个"建议"型关键字：inline）。  
  
下面是一个采用寄存器变量的例子：  
  
/\* 求1+2+3+….+n的值 \*/

WORD Addition(BYTE n)  
\{  
register i,s=0;  
for(i=1;i<=n;i++)  
\{  
s=s+i;  
\}  
return s;  
\}

本程序循环n次，i和s都被频繁使用，因此可定义为寄存器变量。  
  
**第七招： 利用硬件特性**  
  
首先要明白CPU对各种存储器的访问速度，基本上是：  
  
CPU内部RAM　>　外部同步RAM　>　外部异步RAM　>　FLASH/ROM  
  
对于程序代码，已经被烧录在FLASH或ROM中，我们可以让CPU直接从其中读取代码执行，但通常这不是一个好办法，我们最好在系统启动后将FLASH或ROM中的目标代码拷贝入RAM中后再执行以提高取指令速度；  
  
对于UART等设备，其内部有一定容量的接收BUFFER，我们应尽量在BUFFER被占满后再向CPU提出中断。例如计算机终端在向目标机通过RS-232传递数据时，不宜设置UART只接收到一个BYTE就向CPU提中断，从而无谓浪费中断处理时间；  
  
如果对某设备能采取DMA方式读取，就采用DMA读取，DMA读取方式在读取目标中包含的存储信息较大时效率较高，其数据传输的基本单位是块，而所传输 的数据是从设备直接送入内存的（或者相反）。DMA方式较之中断驱动方式，减少了CPU 对外设的干预，进一步提高了CPU与外设的并行操作程度。  
  
参考文献：  
http://purec.binghua.com/viewthread.php?tid=1318&extra=page%3D1  
http://www.51c51.net/article/show.asp?id=560

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