ID：技術讓夢想更偉大

作者:李肖遙

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相信大家寫業務邏輯的時候，都是面向if、else、for、while、switch程式設計。但是你見過switch巢狀do..while嗎？

先上程式碼

void send( int * to, int * from, int count)
{
    int n = (count + 7 ) / 8 ;
    switch (count % 8 ) {
    case 0 :    do { * to ++ = * from ++ ;
    case 7 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 6 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 5 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 4 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 3 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 2 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 1 :          * to ++ = * from ++ ;
           } while ( -- n >    0 );
    }  
}

咋的一看，這啥玩意啊，switch/while 這組合能編譯通過嗎？您可別懷疑，還真能。這個就是達夫裝置（Duff's Device)

什麼是達夫裝置

百度百科說法如下：

在電腦科學領域，達夫裝置（英文：Duff's device）是串行復制（serial copy）的一種優化實現，通過組合語言程式設計時一常用方法，實現展開迴圈，進而提高執行效率。這一方法據信為當時供職於盧卡斯影業的湯姆·達夫於1983年11月發明，並可能是迄今為止利用C語言switch語句特性所作的最巧妙的實現。

達夫裝置是一個加速迴圈語句的C編碼技巧。其基本思想是--減少迴圈測試的執行次數。

簡單講下背景

時間要回到1983年，那是一個雨過天晴的夏天，在盧卡斯影業上班的程式設計師Tom Duff，他是想為了加速一個實時動畫程式，實現從一個數組複製資料到一個暫存器這樣一個功能，真臉如下。

一般情況下，若要將陣列元素複製進儲存器對映輸出暫存器，較為直接的做法如下所示

do {
  /* count > 0 assumed （假定count的初始值大於0） */    
  *to = *from++;            
  /* Note that the 'to' pointer is NOT incremented 
  （注意此處的指標變數to指向並未改變） */
} while(--count > 0);

但是達夫洞察到，若在這一過程中將一條switch和一個迴圈相結合，則可展開迴圈，應用的是C語言裡面case 標籤的Fall through特性，實際就是沒有break繼續執行。實現如上程式碼所示。

其實第一版是這樣寫的：

void send(to, from, count)
register short *to, *from;
register int count;
{
    /* count > 0 assumed */
    do {        
        *to++ = *from++;
    } while (--count > 0);
}

這段程式碼等價於：

void send(register short* to, register short* from, register int count)
{
    /* count > 0 assumed */
    do {                          
        *to++ = *from++;
    } while (--count > 0);
}

但是在這種使用場景下，不易於移植和應用，然後他就更新了第二版，程式碼如下：

void send2(short* to, short* from, int count)
{
    int n = count / 8;
    do {
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
    } while (--n > 0);
}

這種寫法減少了比較次數，在彙編層面單純講到下面程式碼的時候

do... while(--count > 0) 

總共有6條指令。大家可以用godbolt.org/ 測一下。如下(彙編測試參考網上資源，大家可以自行測試)

subl  $1,-4(%rbp)
cmp1  $0,-4(%rgp)
setg  %al,
testb %al,%al
je    ,L8
jmp   ,L7

如果原始count是256，就這一部分指令減少（256-256/8）*6=（256-32）*6=1344。對應6條指令：

movl   -36(%rbp),%eax
leal   7(%rax),%edx
testl  %eax,%eax
cmovs  %edx,%eax
sarl   $3,%eax
movl   %eax,-4(%rbp)

但是這個版本在通用效能還不夠，count一定要是8的倍數，所以經過了這兩個版本的發展，最終才有了上述那個最終版本的誕生。雖然效能上沒有什麼優化，但是最終版的達夫裝置，count不侷限於一定是8的倍數了！

實現機制、程式碼解析

實現機制

在達夫解決這個問題的時候，當時的C語言對switch語句的規範是比較鬆的，在switch控制語句內，條件標號（case）可以出現在任意子語句之前，充作其字首。

此外若未加入break語句，則在switch語句在根據條件判定，跳轉到對應的標號，並在開始執行後，控制流會一直執行到switch巢狀語句的末尾。

利用這種特性，這段程式碼可以從連續地址中將count個數據複製到儲存器中，對映輸出暫存器中。

另一方面，C語言本身也對跳轉到迴圈內部提供了支援，因而此處的switch/case語句便可跳轉到迴圈內部。

程式碼解析

首先說下這段程式碼，編譯沒問題，我們寫個程式碼如下：

#include < iostream > 
using namespace std;
int  main()
{
    int  n  = 0 ;
    switch  (n)  { 
    case 0 :  do   {cout  <<   " 0 "   <<  endl;
    case 1 :         cout  <<   " 1 "   <<  endl;
    case 2 :         cout  <<   " 2 "   <<  endl;
    case 3 :         cout  <<   " 3 "   <<  endl; 
      }   while ( -- n  > 0 ); 
   } 
} 

根據n的不同輸入，實驗結果如下

這段程式碼的主體還是do-while迴圈，但這個迴圈的入口點並不一定是在do那裡，而是由這個switch(n)，把迴圈的入口定在了幾個case標號那裡。

即程式的執行流程是： 

程式執行到了switch的時候，就會根據n的值，直接跳轉到 case n那裡，再當它執行到while那裡時，就會判斷迴圈條件。若為真，則while迴圈開始，程式跳轉到do那裡開始執行迴圈；為假，則退出迴圈，即程式中止。（這個swicth語句就再也沒有用了）

我們再看以下程式碼，這裡 count 個位元組從 from 指向的陣列複製到 to 指向的記憶體地址，是個記憶體對映的輸出暫存器。它把 swtich 語句和複製 8 個位元組的迴圈交織在一起, 從而解決了剩餘位元組的處理問題 (當 count % 8 ！= 0)。

void send( int * to, int * from, int count)
{
    int n = (count + 7 ) / 8 ;
    switch (count % 8 ) {
    case 0 :    do { * to ++ = * from ++ ;
    case 7 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 6 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 5 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 4 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 3 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 2 :          * to ++ = * from ++ ;
    case 1 :          * to ++ = * from ++ ;
           } while ( -- n >    0 );
    }  
}

switch內的表示式計算被8除的餘數。執行開始於while迴圈內的哪個位置由這個餘數決定，直到最終迴圈退出（沒有break）。Duff's Device這樣就簡單漂亮地解決了邊界條件的問題。

效能表現

我們一般使用用for迴圈或者while迴圈的時候，如果執行迴圈內容本身用不了多少時間，本質上時間主要是消耗在了每次迴圈的比較語句上邊。

而事實上，比較語句是有很大優化空間的，我們假設你要迴圈10000次，結果你從第一次開始就不斷的比較是否達到上界值，這是不是很徒勞呢？

我們寫一個達夫裝置的函式用來測試執行時間(參考網上資源，這個測試不難，不同測試會有不同效果，大家可以自行測試一下)：

int duff_device(int a)
{
    resigter x = 0;
    int n = (a) / 10;
    switch(a%10){
        case 0：do{ x++;
        case 9：x++; 
        case 8：x++;   
        case 7：x++;  
        case 6：x++;   
        case 5：x++;   
        case 4：x++;   
        case 3：x++;   
        case 2：x++;   
        case 1：x++;   
        }while(--n>0)
    }
    return x;
}

測試主函式如下

#include <Windows.h>
#define count 999999999
long int overtime = count;
int main()
{
    printf("over %d",duff_device(overtime));
    return 0;
}

執行時間如下

現在我們看一下傳統的迴圈的執行時間,其測試程式碼如下：

int classical(int a)
{
    register x=0;
    do{
        x ++;
    }while(--a>0);
    return x;
}

測試主函式如下

#include <Windows.h>
#define count 999999999
long int overtime = count;
int main()
{
    printf("over %d",classical(overtime));
    return 0;
}

執行時間如下

結果顯示達夫裝置確實縮短了不少時間，這裡x的定義是要用register關鍵字，這樣cpu就會把x儘可能存入cpu內部的暫存器，新的cpu應該會有很通用暫存器使用。

值得一提的是，針對串行復制的需求，標準C語言庫提供了memcpy函式，而其效率不會比斯特勞斯魯普版的達夫裝置低，並可能包含了針對特定架構的優化，從而進一步大幅提升執行效率。

從不同角度看達夫裝置

從語言的角度來看

我個人覺得這種寫法不是很值得我們借鑑。畢竟這不是符合我們“正常”邏輯的程式碼，至少C/C++標準不會保證這樣的程式碼一定不會出錯。

另外， 這種程式碼冷知識，估計有很多人根本都沒見過，如果自己寫的程式碼別人看不懂，估計會被罵的。

從演算法的角度來看

我覺得達夫裝置是個很高效、很值得我們去學習的東西。把一次消耗相對比較高的操作“分攤“到了多次消耗相對比較低的操作上面，就像vector中實現可變長度的陣列的思想那樣，節省了大量的機器資源，也大大提高了程式的效率。這是值得我們去學習的。

總結

達夫裝置能實現的優化效果日趨在減弱，時代在變化，語言在發展，硬體裝置在變化，編譯器效能優化，除非特殊的需求下，一般還是沒必要做像這種層次的效能考量的。不過，這種奇妙的 switch-case 寫法經常研究一下還是很有樂趣的，你們覺得呢……

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