優化C語言程式碼常用的幾招
阿新 • • 發佈：2019-02-18
在效能優化方面永遠注意80-20原則，即20%的程式消耗了80%的執行時間，因而我們要改進效率，最主要是考慮改進那20%的程式碼。不要優化程式中開銷不大的那80%，這是勞而無功的。
第一招：以空間換時間
計算機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，我們就有了解決問題的第1招--以空間換時間。比如說字串的賦值：
方法A：通常的辦法
#define LEN 32
char string1 [LEN];
memset (string1,0,LEN);
strcpy (string1,"This is 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需要呼叫兩個字元函式才能完成。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。
如果系統的實時性要求很高，記憶體還有一些，那我推薦你使用該招數。
第二招： 使用巨集而不是函式。
這也是第一招的變招。函式和巨集的區別就在於，巨集佔用了大量的空間，而函式佔用了時間。大家要知道的是，函式呼叫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，一般在函式的頭會嵌入一些彙編語句對當前棧進行檢查；同時，CPU也要在函式呼叫時儲存和恢復當前的現場，進行壓棧和彈棧操作，所以，函式呼叫需要一 些CPU時間。 而巨集不存在這個問題。巨集僅僅作為預先寫好的程式碼嵌入到當前程式，不會產生函式呼叫，所以僅僅是佔用了空間，在頻繁呼叫同一個巨集的時候，該現象尤其突出。
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);
D方法是我看到的最好的置位操作函式，是ARM公司原始碼的一部分，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。
第三招：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 次乘法，1次除法。效果自然不言而喻。所以，現在我在程式設計序的時候，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式執行的效率。
第四招：使用位操作
使用位操作。減少除法和取模的運算。在計算機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執行的效率。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 字面上好像H比G麻煩了好多，但是，仔細檢視產生的彙編程式碼就會明白，方法G呼叫了基本的取模函式和除法函式，既有函式呼叫，還有很多彙編程式碼和暫存器參 與運算；而方法H則僅僅是幾句相關的彙編，程式碼更簡潔，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。
對於以2的指數次方為"*"、"/"或"%"因子的數學運算，轉化為移位運算"<< >>"通常可以提高演算法效率。因為乘除運算指令週期通常比移位運算大。
C語言位運算除了可以提高運算效率外，在嵌入式系統的程式設計中，它的另一個最典型的應用，而且十分廣泛地正在被使用著的是位間的與（&）、或 （|）、非（~）操作，這跟嵌入式系統的程式設計特點有很大關係。我們通常要對硬體暫存器進行位設定，譬如，我們通過將AM186ER型80186處理器的中 斷遮蔽控制暫存器的第低6位設定為0（開中斷2），最通用的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
outword(INT_MASK, wTemp &~INT_I2_MASK);
而將該位設定為1的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
outword(INT_MASK, wTemp | INT_I2_MASK);
判斷該位是否為1的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
if(wTemp & INT_I2_MASK)
{
… /* 該位為1 */
}
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上用這招編寫的程式，並在PC上除錯通過，在移植到一個16位機平臺上的時候，可能會產生程式碼隱患。所以只有在一定技術進階的基礎下才可以使用這招。
第五招：彙編嵌入
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計算機語言，但是，不可能靠著它 來寫一個作業系統吧?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，混合程式設計。嵌入式C程式中主要使用線上彙編，即在C程式中直接插 入_asm{ }內嵌彙編語句。
舉例如下，將陣列一賦值給陣列二,要求每一位元組都相符。
char string1[1024],string2[1024];
方法I
int I;
for (I =0 ;I<1024;I++)
*(string2 + I) = *(string1 + I)
方法J
#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
再舉個例子：
/* 把兩個輸入引數的值相加，結果存放到另外一個全域性變數中 */
int result;
void Add(long a, long *b)
{
_asm
{
MOV AX, a
MOV BX, b
ADD AX, [BX]
MOV result, AX
}
}
方 法I是最常見的方法，使用了1024次迴圈；方法J則根據平臺不同做了區分，在ARM平臺下，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式呢?這是因為在源資料裡可能含有資料為0的位元組，這樣的話，標準庫函式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。
第六招， 使用暫存器變數
當對一個變數頻繁被讀寫時，需要反覆訪問記憶體，從而花費大量的存取時間。為此，C語言提供了一種變數，即暫存器變數。這種變數存放在CPU的暫存器中，使 用時，不需要訪問記憶體，而直接從暫存器中讀寫，從而提高效率。暫存器變數的說明符是register。對於迴圈次數較多的迴圈控制變數及迴圈體內反覆使用 的變數均可定義為暫存器變數，而迴圈計數是應用暫存器變數的最好候選者。
(1) 只有區域性自動變數和形參才可以定義為暫存器變數。因為暫存器變數屬於動態儲存方式，凡需要採用靜態儲存方式的量都不能定義為暫存器變數，包括：模組間全域性變數、模組內全域性變數、區域性static變數；
(2) register是一個"建議"型關鍵字，意指程式建議該變數放在暫存器中，但最終該變數可能因為條件不滿足並未成為暫存器變數，而是被放在了儲存器中，但編譯器中並不報錯（在C++語言中有另一個"建議"型關鍵字：inline）。
下面是一個採用暫存器變數的例子：
/* 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;
}
本程式迴圈n次，i和s都被頻繁使用，因此可定義為暫存器變數。
第七招： 利用硬體特性
首先要明白CPU對各種儲存器的訪問速度，基本上是：
CPU內部RAM > 外部同步RAM > 外部非同步RAM > FLASH/ROM
對於程式程式碼，已經被燒錄在FLASH或ROM中，我們可以讓CPU直接從其中讀取程式碼執行，但通常這不是一個好辦法，我們最好在系統啟動後將FLASH或ROM中的目的碼拷貝入RAM中後再執行以提高取指令速度；
對於UART等裝置，其內部有一定容量的接收BUFFER，我們應儘量在BUFFER被佔滿後再向CPU提出中斷。例如計算機終端在向目標機通過RS-232傳遞資料時，不宜設定UART只接收到一個BYTE就向CPU提中斷，從而無謂浪費中斷處理時間；
如果對某裝置能採取DMA方式讀取，就採用DMA讀取，DMA讀取方式在讀取目標中包含的儲存資訊較大時效率較高，其資料傳輸的基本單位是塊，而所傳輸 的資料是從裝置直接送入記憶體的（或者相反）。DMA方式較之中斷驅動方式，減少了CPU 對外設的干預，進一步提高了CPU與外設的並行操作程度。
參考文獻：
http://purec.binghua.com/viewthread.php?tid=1318&extra=page%3D1
http://www.51c51.net/article/show.asp?id=560
第一招：以空間換時間
計算機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，我們就有了解決問題的第1招--以空間換時間。比如說字串的賦值：
方法A：通常的辦法
#define LEN 32
char string1 [LEN];
memset (string1,0,LEN);
strcpy (string1,"This is 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需要呼叫兩個字元函式才能完成。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。
如果系統的實時性要求很高，記憶體還有一些，那我推薦你使用該招數。
第二招： 使用巨集而不是函式。
這也是第一招的變招。函式和巨集的區別就在於，巨集佔用了大量的空間，而函式佔用了時間。大家要知道的是，函式呼叫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，一般在函式的頭會嵌入一些彙編語句對當前棧進行檢查；同時，CPU也要在函式呼叫時儲存和恢復當前的現場，進行壓棧和彈棧操作，所以，函式呼叫需要一 些CPU時間。 而巨集不存在這個問題。巨集僅僅作為預先寫好的程式碼嵌入到當前程式，不會產生函式呼叫，所以僅僅是佔用了空間，在頻繁呼叫同一個巨集的時候，該現象尤其突出。
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);
D方法是我看到的最好的置位操作函式，是ARM公司原始碼的一部分，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。
第三招：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 次乘法，1次除法。效果自然不言而喻。所以，現在我在程式設計序的時候，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式執行的效率。
第四招：使用位操作
使用位操作。減少除法和取模的運算。在計算機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執行的效率。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 字面上好像H比G麻煩了好多，但是，仔細檢視產生的彙編程式碼就會明白，方法G呼叫了基本的取模函式和除法函式，既有函式呼叫，還有很多彙編程式碼和暫存器參 與運算；而方法H則僅僅是幾句相關的彙編，程式碼更簡潔，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。
對於以2的指數次方為"*"、"/"或"%"因子的數學運算，轉化為移位運算"<< >>"通常可以提高演算法效率。因為乘除運算指令週期通常比移位運算大。
C語言位運算除了可以提高運算效率外，在嵌入式系統的程式設計中，它的另一個最典型的應用，而且十分廣泛地正在被使用著的是位間的與（&）、或 （|）、非（~）操作，這跟嵌入式系統的程式設計特點有很大關係。我們通常要對硬體暫存器進行位設定，譬如，我們通過將AM186ER型80186處理器的中 斷遮蔽控制暫存器的第低6位設定為0（開中斷2），最通用的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
outword(INT_MASK, wTemp &~INT_I2_MASK);
而將該位設定為1的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
outword(INT_MASK, wTemp | INT_I2_MASK);
判斷該位是否為1的做法是：
#define INT_I2_MASK 0x0040
wTemp = inword(INT_MASK);
if(wTemp & INT_I2_MASK)
{
… /* 該位為1 */
}
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上用這招編寫的程式，並在PC上除錯通過，在移植到一個16位機平臺上的時候，可能會產生程式碼隱患。所以只有在一定技術進階的基礎下才可以使用這招。
第五招：彙編嵌入
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計算機語言，但是，不可能靠著它 來寫一個作業系統吧?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，混合程式設計。嵌入式C程式中主要使用線上彙編，即在C程式中直接插 入_asm{ }內嵌彙編語句。
舉例如下，將陣列一賦值給陣列二,要求每一位元組都相符。
char string1[1024],string2[1024];
方法I
int I;
for (I =0 ;I<1024;I++)
*(string2 + I) = *(string1 + I)
方法J
#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
再舉個例子：
/* 把兩個輸入引數的值相加，結果存放到另外一個全域性變數中 */
int result;
void Add(long a, long *b)
{
_asm
{
MOV AX, a
MOV BX, b
ADD AX, [BX]
MOV result, AX
}
}
方 法I是最常見的方法，使用了1024次迴圈；方法J則根據平臺不同做了區分，在ARM平臺下，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式呢?這是因為在源資料裡可能含有資料為0的位元組，這樣的話，標準庫函式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。
第六招， 使用暫存器變數
當對一個變數頻繁被讀寫時，需要反覆訪問記憶體，從而花費大量的存取時間。為此，C語言提供了一種變數，即暫存器變數。這種變數存放在CPU的暫存器中，使 用時，不需要訪問記憶體，而直接從暫存器中讀寫，從而提高效率。暫存器變數的說明符是register。對於迴圈次數較多的迴圈控制變數及迴圈體內反覆使用 的變數均可定義為暫存器變數，而迴圈計數是應用暫存器變數的最好候選者。
(1) 只有區域性自動變數和形參才可以定義為暫存器變數。因為暫存器變數屬於動態儲存方式，凡需要採用靜態儲存方式的量都不能定義為暫存器變數，包括：模組間全域性變數、模組內全域性變數、區域性static變數；
(2) register是一個"建議"型關鍵字，意指程式建議該變數放在暫存器中，但最終該變數可能因為條件不滿足並未成為暫存器變數，而是被放在了儲存器中，但編譯器中並不報錯（在C++語言中有另一個"建議"型關鍵字：inline）。
下面是一個採用暫存器變數的例子：
/* 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;
}
本程式迴圈n次，i和s都被頻繁使用，因此可定義為暫存器變數。
第七招： 利用硬體特性
首先要明白CPU對各種儲存器的訪問速度，基本上是：
CPU內部RAM > 外部同步RAM > 外部非同步RAM > FLASH/ROM
對於程式程式碼，已經被燒錄在FLASH或ROM中，我們可以讓CPU直接從其中讀取程式碼執行，但通常這不是一個好辦法，我們最好在系統啟動後將FLASH或ROM中的目的碼拷貝入RAM中後再執行以提高取指令速度；
對於UART等裝置，其內部有一定容量的接收BUFFER，我們應儘量在BUFFER被佔滿後再向CPU提出中斷。例如計算機終端在向目標機通過RS-232傳遞資料時，不宜設定UART只接收到一個BYTE就向CPU提中斷，從而無謂浪費中斷處理時間；
如果對某裝置能採取DMA方式讀取，就採用DMA讀取，DMA讀取方式在讀取目標中包含的儲存資訊較大時效率較高，其資料傳輸的基本單位是塊，而所傳輸 的資料是從裝置直接送入記憶體的（或者相反）。DMA方式較之中斷驅動方式，減少了CPU 對外設的干預，進一步提高了CPU與外設的並行操作程度。
參考文獻：
http://purec.binghua.com/viewthread.php?tid=1318&extra=page%3D1
http://www.51c51.net/article/show.asp?id=560