C代码优化方案[z]

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1、选择合适的算法和数据结构

选择一种合适的数据结构很重要，如果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切的关系，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。

在许多种情况下，可以用指针运算代替数组索引，这样做常常能产生又快又短的代码。与数组索引相比，指针一般能使代码速度更快，占用空间更少。使用多维数组时差异更明显。下面的代码作用是相同的，但是效率不一样。

数组索引 指针运算

For(;;){              p=array;

A=array[t++];        for(;;){

                      a=*(p++);

......               ......

} }

指针方法的优点是， array 的地址每次装入地址 p 后，在每次循环中只需对 p 增量操作。在数组索引方法中，每次循环中都必须根据 t 值求数组下标的复杂运算。

2、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。

3、减少运算的强度

（1）查表(游戏程序员必修课)

一个聪明的游戏大虾，基本上不会在自己的主循环里搞什么运算工作，绝对是先计算好了，再到循环里查表。看下面的例子：

旧代码：

long factorial(int i)

{

if (i == 0)

return 1;

else

return i * factorial(i - 1);

}

新代码：

static long factorial_table[] =

{1 ， 1 ， 2 ， 6 ， 24 ， 120 ， 720 /* etc */ };

long factorial(int i)

{

return factorial_table[ i];

}

如果表很大，不好写，就写一个 init 函数，在循环外临时生成表格。

（2）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。

（3）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。

（4）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;

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

采用运算量更小的表达式替换原来的表达式，下面是一个经典例子 :

旧代码 :

x = w % 8;

y = pow(x ， 2.0);

z = y * 33;

for (i = 0;i < MAX;i++)

{

h = 14 * i;

printf("%d" ， h);

}

新代码 :

x = w & 7; /* 位操作比求余运算快 */

y = x * x; /* 乘法比平方运算快 */

z = (y << 5) + y; /* 位移乘法比乘法快 */

for (i = h = 0; i < MAX; i++)

{

h += 14; /* 加法比乘法快 */

printf("%d" ， h);

}

（5）避免不必要的整数除法

　　整数除法是整数运算中最慢的，所以应该尽可能避免。一种可能减少整数除法的地方是连除，这里除法可以由乘法代替。这个替换的副作用是有可能在算乘积时会溢出，所以只能在一定范围的除法中使用。

　　 不好的代码：

int i ， j ， k ， m ；

m = i / j / k ；

推荐的代码：

int i ， j ， k ， m ；

m = i / (j * k) ；

（6）使用增量和减量操作符

在使用到加一和减一操作时尽量使用增量和减量操作符，因为增量符语句比赋值语句更快，原因在于对大多数 CPU 来说，对内存字的增、减量操作不必明显地使用取内存和写内存的指令，比如下面这条语句：

x=x+1;

模仿大多数微机汇编语言为例，产生的代码类似于：

move A ， x ; 把 x 从内存取出存入累加器 A

add A ， 1 ; 累加器 A 加 1

store x ; 把新值存回 x

如果使用增量操作符，生成的代码如下：

incr x ;x 加 1

显然，不用取指令和存指令，增、减量操作执行的速度加快，同时长度也缩短了。

（7）使用复合赋值表达式

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。

（8）提取公共的子表达式

在某些情况下， C++ 编译器不能从浮点表达式中提出公共的子表达式，因为这意味着相当于对表达式重新排序。需要特别指出的是，编译器在提取公共子表达式前不能按照代数的等价关系重新安排表达式。这时，程序员要手动地提出公共的子表达式（在 VC.NET 里有一项“全局优化”选项可以完成此工作，但效果就不得而知了）。

不好的代码：

float a ， b ， c ， d ， e ， f ；

。。。

e = b * c / d ；

f = b / d * a ；

推荐的代码：

float a ， b ， c ， d ， e ， f ；

。。。

const float t(b / d) ；

e = c * t ；

f = a * t ；

不好的代码：

float a ， b ， c ， e ， f ；

。。。

e = a / c ；

f = b / c ；

推荐的代码：

float a ， b ， c ， e ， f ；

。。。

const float t(1.0f / c) ；

e = a * t ；

f = b * t ；

4、结构体成员的布局

　　很多编译器有“使结构体字，双字或四字对齐”的选项。但是，还是需要改善结构体成员的对齐，有些编译器可能分配给结构体成员空间的顺序与他们声明的不同。但是，有些编译器并不提供这些功能，或者效果不好。所以，要在付出最少代价的情况下实现最好的结构体和结构体成员对齐，建议采取下列方法：

（1）按数据类型的长度排序

把结构体的成员按照它们的类型长度排序，声明成员时把长的类型放在短的前面。编译器要求把长型数据类型存放在偶数地址边界。在申明一个复杂的数据类型 ( 既有多字节数据又有单字节数据 ) 时，应该首先存放多字节数据，然后再存放单字节数据，这样可以避免内存的空洞。编译器自动地把结构的实例对齐在内存的偶数边界。

（2）把结构体填充成最长类型长度的整倍数

把结构体填充成最长类型长度的整倍数。照这样，如果结构体的第一个成员对齐了，所有整个结构体自然也就对齐了。下面的例子演示了如何对结构体成员进行重新排序：

不好的代码，普通顺序：

struct

{

　　 char a[5] ；

　　 long k ；

　 double x ；

} baz ；

推荐的代码，新的顺序并手动填充了几个字节：

struct

{

　　 double x ；

　　 long k ；

　　 char a[5] ；

char pad[7] ；

} baz ；

这个规则同样适用于类的成员的布局。

（3）按数据类型的长度排序本地变量

当编译器分配给本地变量空间时，它们的顺序和它们在源代码中声明的顺序一样，和上一条规则一样，应该把长的变量放在短的变量前面。如果第一个变量对齐了，其它变量就会连续的存放，而且不用填充字节自然就会对齐。有些编译器在分配变量时不会自动改变变量顺序，有些编译器不能产生 4 字节对齐的栈，所以 4 字节可能不对齐。下面这个例子演示了本地变量声明的重新排序：

　　 不好的代码，普通顺序

short ga ， gu ， gi ；

long foo ， bar ；

double x ， y ， z[3] ；

char a ， b ；

float baz ；

推荐的代码，改进的顺序

double z[3] ；

double x ， y ；

long foo ， bar ；

float baz ；

short ga ， gu ， gi ；

（4）把频繁使用的指针型参数拷贝到本地变量

避免在函数中频繁使用指针型参数指向的值。因为编译器不知道指针之间是否存在冲突，所以指针型参数往往不能被编译器优化。这样数据不能被存放在寄存器中，而且明显地占用了内存带宽。注意，很多编译器有“假设不冲突”优化开关（在 VC 里必须手动添加编译器命令行 /Oa 或 /Ow ），这允许编译器假设两个不同的指针总是有不同的内容，这样就不用把指针型参数保存到本地变量。否则，请在函数一开始把指针指向的数据保存到本地变量。如果需要的话，在函数结束前拷贝回去。

不好的代码：

// 假设 q != r

void isqrt(unsigned long a ， unsigned long* q ， unsigned long* r)

{

　　 *q = a ；

　　 if (a > 0)

　　 {

　　　　 while (*q > (*r = a / *q))

　　　　 {

　　　　　　 *q = (*q + *r) >> 1 ；

　　　　 }

　　 }

　　 *r = a - *q * *q ；

}

推荐的代码：

// 假设 q != r

void isqrt(unsigned long a ， unsigned long* q ， unsigned long* r)

{

　　 unsigned long qq ， rr ；

　　 qq = a ；

　　 if (a > 0)

　　 {

　　　　 while (qq > (rr = a / qq))

　　　　 {

　　　　　　 qq = (qq + rr) >> 1 ；

　　　　 }

　　 }

　　 rr = a - qq * qq ；

　　 *q = qq ；

　　 *r = rr ；

}

5、循环优化

（1）、充分分解小的循环

　　 要充分利用CPU的指令缓存，就要充分分解小的循环。 特别是当循环体本身很小的时候，分解循环可以提高性能。注意:很多编译器并不能自动分解循环。 不好的代码：

// 3D 转化：把矢量 V 和 4x4 矩阵 M 相乘

for (i = 0 ； i < 4 ； i ++)

{

　　 r[ i] = 0 ；

　　 for (j = 0 ； j < 4 ； j ++)

　　 {

　　　　 r[ i] += M[j][ i]*V[j] ；

　　 }

}

推荐的代码：

r[0] = M[0][0]*V[0] + M[1][0]*V[1] + M[2][0]*V[2] + M[3][0]*V[3] ；

r[1] = M[0][1]*V[0] + M[1][1]*V[1] + M[2][1]*V[2] + M[3][1]*V[3] ；

r[2] = M[0][2]*V[0] + M[1][2]*V[1] + M[2][2]*V[2] + M[3][2]*V[3] ；

r[3] = M[0][3]*V[0] + M[1][3]*V[1] + M[2][3]*V[2] + M[3][3]*v[3] ；

（2）提取公共部分

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。

（3）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，使用预减循环有可能使数组超界，要引起注意。

（4）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。

（6）循环展开

这是经典的速度优化，但许多编译程序 ( 如 gcc -funroll-loops) 能自动完成这个事，所以现在你自己来优化这个显得效果不明显。

旧代码 :

for (i = 0; i < 100; i++)