程序设计基石与实践系列之编写高效的C程序与C代码优化
Posted 松子茶
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了程序设计基石与实践系列之编写高效的C程序与C代码优化相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
原文出处： codeproject:Writing Efficient C and C Code Optimization
虽然对于优化C代码有很多有效的指导方针，但是对于彻底地了解编译器和你工作的机器依然无法取代，通常，加快程序的速度也会加大代码量。这些增加的代码也会影响一个程序的复杂度和可读性，这是不可接受的，比如你在一些小型的设备上编程，例如：移动设备、PDA……，这些有着严格的内存限制，于是，在优化的座右铭是:写代码在内存和速度都应该优化。
整型数 / Integers
在我们知道使用的数不可能是负数的时候，应该使用unsigned int取代int，一些处理器处理整数算数运算的时候unsigned int比int快，于是，在一个紧致的循环里面定义一个整型变量，最好这样写代码：
register unsigned int variable_name;除法和余数 / Division and Remainder
在标准的处理器中，根据分子和分母的不同，一个32位的除法需要20-140个时钟周期来执行完成，等于一个固定的时间加上每个位被除的时间。
Time (numerator / denominator) = C0 + C1* log2 (numerator / denominator)
= C0 + C1 * (log2 (numerator) - log2 (denominator)).
ARM处理器需要消耗20+4.3N个时钟周期，这是一个非常费时的操作，要尽可能的避免。在有些情况下，除法表达式可以用乘法表达是来重写。比方说，(a/b)>c可以写成a>(c*b),条件是我们已经知道b为非负数而且b*c不会超过整型数的取值范围。如果我们能够确定其中的一个操作数为unsigned，那么使用无符号除法将会更好，因为它要比有符号除法快得多。
合并除法运算和取余运算 / Combining division and remainder
在一些情况下，除法运算和取余运算都需要用到，在这种情况下，编译器会将除法运算和取余运算合并，因为除法运算总是同时返回商和余数。如果两个运算都要用到，我们可以将他们写到一起。
typedef unsigned int uint;
uint div32u (uint a) {
return a / 32;
}
int div32s (int a){
return a / 32;
}取模运算的替换 / An alternative for modulo arithmetic
我们一般使用取余运算进行取模，不过，有时候使用 if 语句来重写也是可行的。考虑下面的两个例子：
uint modulo_func1 (uint count)
{
return (++count % 60);
}
uint modulo_func2 (uint count)
{
if (++count >= 60)
count = 0;
return (count);
}但是我们可以使用如下的代码（笔者补充）实现等价的功能：
uint modulo_func3 (uint count)
{
if (++count >= 60)
count %= 60;
return (count);
}使用数组索引 / Using array indices
假设你要依据某个变量的值，设置另一个变量的取值为特定的字符，你可能会这样做：
switch ( queue ) {
case 0 : letter = 'W';
break;
case 1 : letter = 'S';
break;
case 2 : letter = 'U';
break;
}
if ( queue == 0 )
letter = 'W';
else if ( queue == 1 )
letter = 'S';
else
letter = 'U';
static char *classes="WSU";
letter = classes[queue];全局变量 / Global variables
全局变量不会被分配在寄存器上，修改全局变量需要通过指针或者调用函数的方式间接进行。所以编译器不会将全局变量存储在寄存器中，那样会带来额外的、不必要的负担和存储空间。所以在比较关键的循环中，我们要不使用全局变量。
如果一个函数要频繁的使用全局变量，我们可以使用局部变量，作为全局变量的拷贝，这样就可以使用寄存器了。条件是本函数调用的任何子函数不使用这些全局变量。
举个例子：
int f(void);
int g(void);
int errs;
void test1(void)
{
errs += f();
errs += g();
}
void test2(void)
{
int localerrs = errs;
localerrs += f();
localerrs += g();
errs = localerrs;
}使用别名 / Using Aliases
考虑下面的例子：
void func1( int *data )
{
int i;
for(i=0; i<10; i++)
{
anyfunc( *data, i);
}
}
void func1( int *data )
{
int i;
int localdata;
localdata = *data;
for(i=0; i<10; i++)
{
anyfunc ( localdata, i);
}
}活跃变量和泄漏 / Live variables and spilling
寄存器的数量在每个处理器当中都是固定的，所以在程序的某个特定的位置，可以保存在寄存器中的变量的数量是有限制的。有些编译器支持“生命周期分割”（live-range splitting），也就是说在函数的不同部分，变量可以被分配到不同的寄存器或者内存中。变量的生存范围被定义成：起点是对该变量的一次空间分配，终点是在下次空间分配之前的最后一次使用之间。在这个范围内，变量的值是合法的，是活的。在生存范围之外，变量不再被使用，是死的，它的寄存器可以供其他变量使用，这样，编译器就可以安排更多的变量到寄存器当中。
可分配到寄存器的变量需要的寄存器数量等于经过生命范围重叠的变量的数目，如果这个数目超过可用的寄存器的数量，有些变量就必须被暂时的存储到内存中。这种处理叫做“泄漏(spilling)”。
编译器优先释放最不频繁使用的变量，将释放的代价降到最低。可以通过以下方式避免变量的“释放”：
- 限制活跃变量的最大数目：通常可以使用简单小巧的表达式，在函数内部不使用太多的变量。把大的函数分割成更加简单的、更加小巧的多个函数，也可能会有所帮助。
- 使用关键字register修饰最经常使用的变量：告诉编译器这个变量将会被经常用到，要求编译器使用非常高的优先级将此变量分配到寄存器中。尽管如此，在某些情况下，变量还是可能被泄漏。
变量类型 / Variable Types
C编译器支持基本的变量类型：char、short、int、long(signed、unsigned)、float、double。为变量定义最恰当的类型，非常重要，因为这样可以减少代码和数据的长度，可以非常显著的提高效率。
局部变量 / Local variables
如果可能，局部变量要避免使用char和short。对于char和short类型，编译器在每次分配空间以后，都要将这种局部变量的尺寸减少到8位或16位。这对于符号变量来说称为符号扩展，对无符号变量称为无符号扩展。这种操作是通过将寄存器左移24或16位，然后再有符号（或无符号的）右移同样的位数来实现的，需要两条指令（无符号字节变量的无符号扩展需要一条指令）。
这些移位操作可以通过使用int和unsigned int的局部变量来避免。这对于那些首先将数据调到局部变量然后利用局部变量进行运算的情况尤其重要。即使数据以8位或16位的形式输入或输出，把他们当作32位来处理仍是有意义的。
我们来考虑下面的三个例子函数：
int wordinc (int a)
{
return a + 1;
}
short shortinc (short a)
{
return a + 1;
}
char charinc (char a)
{
return a + 1;
}指针 / Pointers
如果可能，我们应该使用结构体的引用作为参数，也就是结构体的指针，否则，整个结构体就会被压入堆栈，然后传递，这会降低速度。程序适用值传递可能需要几K字节，而一个简单的指针也可以达到同样的目的，只需要几个字节就可以了。
如果在函数内部不会改变结构体的内容，那么就应该将参数声明为const型的指针。举个例子：
void print_data_of_a_structure ( const Thestruct *data_pointer)
{
...printf contents of the structure...
}指针链 / Pointer chains
指针链经常被用来访问结构体的信息，比如，下面的这段常见的代码：
typedef struct { int x, y, z; } Point3;
typedef struct { Point3 *pos, *direction; } Object;
void InitPos1(Object *p)
{
p->pos->x = 0;
p->pos->y = 0;
p->pos->z = 0;
}
void InitPos2(Object *p)
{
Point3 *pos = p->pos;
pos->x = 0;
pos->y = 0;
pos->z = 0;
}条件的执行 / Conditional Execution
条件执行主要用在if语句中，同时也会用到由关系运算(<,==,>等)或bool运算(&&, !等)组成的复杂的表达式。尽可能的保持if和else语句的简单是有好处的，这样才能很好的条件化。关系表达式应该被分成包含相似条件的若干块。
下面的例子演示了编译器如何使用条件执行：
int g(int a, int b, int c, int d)
{
if (a > 0 && b > 0 && c < 0 && d < 0)
// grouped conditions tied up together//
return a + b + c + d;
return -1;
}Boolean表达式和范围检查 / Boolean Expressions & Range checking
有一种常见的boolean表达式被用来检查是否一个变量取值在某个特定的范围内，比方说，检查一个点是否在一个窗口内。
bool PointInRectangelArea (Point p, Rectangle *r)
{
return (p.x >= r->xmin && p.x < r->xmax &&
p.y >= r->ymin && p.y < r->ymax);
}bool PointInRectangelArea (Point p, Rectangle *r)
{
return ((unsigned) (p.x - r->xmin) < r->xmax &&
(unsigned) (p.y - r->ymin) < r->ymax);
}以上是关于程序设计基石与实践系列之编写高效的C程序与C代码优化的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章