C語言程序運行速度優(yōu)化方法談

1、C語言程序運行速度優(yōu)化方法談1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結構選擇一種合適的數(shù)據(jù)結構很重要，如果在一堆隨機存放的數(shù)中使用了大量的插入和刪 除指令，那使用鏈表要快得多。數(shù)組與指針語句具有十分密切的關系，一般來說，指針比擬 靈活簡潔，而數(shù)組那么比擬直觀，容易理解。對于大局部的編譯器，使用指針比使用數(shù)組生成 的代碼更短，執(zhí)行效率更高。在許多種情況下，可以用指針運算代替數(shù)組索引，這樣做常常能產生又快又短的代碼。 與數(shù)組索弓I相比，指針一般能使代碼速度更快，占用空間更少。使用多維數(shù)組時差異更明顯。 下面的代碼作用是相同的，但是效率不一樣。數(shù)組索引 指針運算For(;)A=arrayt+;For(;)A=arr

2、ayt+;p=arrayfor(;) a=*(p+);指針方法的優(yōu)點是，array的地址每次裝入地址p后，在每次循環(huán)中只需對p增量操作。 在數(shù)組索引方法中，每次循環(huán)中都必須根據(jù)t值求數(shù)組下標的復雜運算。2、使用盡量小的數(shù)據(jù)類型能夠使用字符型(char)定義的變量，就不要使用整型(int)變量來定義；能夠使用整型變 量定義的變量就不要用長整型(long int),能不使用浮點型(float)變量就不要使用浮點型變量。 當然,在定義變量后不要超過變量的作用范圍,如果超過變量的范圍賦值,C編譯器并不報 錯，但程序運行結果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發(fā)現(xiàn)。在ICCAVR中，可以在Options中設定使用

3、printf參數(shù)，盡量使用基本型參數(shù)(%c、d、x、X、11和$格式說明符)，少用長整型參數(shù)(出、lu、以和區(qū)格式 說明符)，至于浮點型的參數(shù)(。那么盡量不要使用，其它C編譯器也一樣。在其它條件不變 的情況下，使用f參數(shù)，會使生成的代碼的數(shù)量增加很多，執(zhí)行速度降低。3、減少運算的強度(1)、查表(游戲程序員必修課)一個聰明的游戲大蝦，基本上不會在自己的主循環(huán)里搞什么運算工作，絕對是先計算 好了，再到循環(huán)里查表?？聪旅娴睦樱号f代碼：long factorial(int i)if (i = 0)return 1;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i

4、); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;do_stuff(i); i+;)可以看出，新代碼里比擬指令由100次降低為10次，循環(huán)時間節(jié)約了 90%。不過注 意:對于中間變量或結果被更改的循環(huán)，編譯程序往往拒絕展開，(怕?lián)熑螁h)，這時候就需 要你自己來做展開工作了。還有一點請注意，在有內部指令cache的CPU上(如MMX芯片)，因為循環(huán)展開的代 碼很大，往往cache溢出，這時展開的代碼會頻繁地在CPU的cache和內存之間調來調去， 又因為cache速度很高，

5、所以此時循環(huán)展開反而會變慢。還有就是循環(huán)展開會影響矢量運算 優(yōu)化。(6)、循環(huán)嵌套把相關循環(huán)放到一個循環(huán)里，也會加快速度。舊代碼：for (i = 0; i MAX; i+)/* initialize 2d array to Os */for (j = 0; j MAX; j+)aiU = 0.0;fbr (i = 0; i MAX; i+)/* put Ts along the diagonal */aii = 1.0;新代碼：fbr (i = 0; i MAX; i+)/* initialize 2d array to Os */for (j = 0; j type)case FREQUE

6、NT_MSG1:handleFrequentMsg();break;case FREQUENT MSG2:handleFrequentMsg2();break;case FREQUENT_MSGn:handleFrequentMsgnQ;break;default:嵌套局部用來處理不經常發(fā)生的消息switch (pMsg-type) (case INFREQUENT MSGl:handlelnfrequentMsg 1();break;case INFREQUENT_MSG2:handleInfrequentMsg2();break; o o o o o ocase INFREQUENT_MS

7、Gm:handleInfrequentMsgm();break;如果switch中每一種情況下都有很多的工作要做，那么把整個switch語句用一個指向 函數(shù)指針的表來替換會更加有效，比方下面的switch語句，有三種情況：enum MsgTypeMsgl, Msg2, Msg3switch (ReceiveMessage()(case Msgl;o o o o o ocase Msg2;case Msg3;)為了提高執(zhí)行速度，用下面這段代碼來替換這個上面的switch語句。/*準備工作*/int handleMsg 1 (void);int handleMsg2(void);int handl

8、eMsg3(void);/*創(chuàng)立一個函數(shù)指針數(shù)組*/int (*MsgFunction )()= handleMsg 1, handleMsg2, handleMsg3;/*用下面這行更有效的代碼來替換switch語句*/status=MsgFunctionReceiveMessage()();(9)、循環(huán)轉置有些機器對JNZ(為0轉移)有特別的指令處理，速度非?？?，如果你的循環(huán)對方向不敏 感，可以由大向小循環(huán)。舊代碼：for (i = 1; i = MAX; i+)(o o o)新代碼：i = MAX+l;while (i)(o o o不過千萬注意，如果指針操作使用了 i值，這種方法可能引起

9、指針越界的嚴重錯誤(i = MAX+l;)o當然你可以通過對i做加減運算來糾正，但是這樣就起不到加速的作用，除非類 似于以下情況：舊代碼：char aMAX+5;fbr (i = 1; i = MAX; i+)*(a+i+4 尸 0;新代碼：i = MAX+l;while (-i)*(a+i+4)=0;(10)、公用代碼塊一些公用處理模塊，為了滿足各種不同的調用需要，往往在內部采用了大量的 if-then-else結構，這樣很不好，判斷語句如果太復雜，會消耗大量的時間的，應該盡量減少 公用代碼塊的使用。(任何情況下，空間優(yōu)化和時間優(yōu)化都是對立的-東樓)。當然，如果僅 僅是一個(3=x)之類的簡

10、單判斷，適當使用一下，也還是允許的。記住，優(yōu)化永遠是追求一 種平衡，而不是走極端。(11)提升循環(huán)的性能要提升循環(huán)的性能，減少多余的常量計算非常有用(比方，不隨循環(huán)變化的計算)。 不好的代碼(在for()中包含不變的if()：fbr( i o o o )if( CONSTANTO )(DoWorkO( i)； /假設這里不改變CONSTANTO的值)else(DoWorkl(i)； /假設這里不改變CONSTANTO的值)推薦的代碼:iR CONSTANTO)fbr( i o o o )(DoWorkO( i )；elsefbr( i o o o )jDoWorkl(i)；)如果已經知道if(

11、)的值，這樣可以防止重復計算。雖然不好的代碼中的分支可以簡單地預測, 但是由于推薦的代碼在進入循環(huán)前分支已經確定，就可以減少對分支預測的依賴。(12)、選擇好的無限循環(huán)在編程中，我們常常需要用到無限循環(huán)，常用的兩種方法是while (1)和for (； ； )o這 兩種方法效果完全一樣，但那一種更好呢？然我們看看它們編譯后的代碼：編譯前：while (1)； 編譯后：mov eax， 1 test eax, eax je foo+23h jmp foo+18h 編譯前：for (；)； 編譯后：jmp fbo+23h顯然，for(；)指令少，不占用寄存器，而且沒有判斷、跳轉，比while (1

12、)好。6、提高CPU的并行性(1)使用并行代碼盡可能把長的有依賴的代碼鏈分解成幾個可以在流水線執(zhí)行單元中并行執(zhí)行的沒有依 賴的代碼鏈。很多高級語言，包括C+,并不對產生的浮點表達式重新排序，因為那是一個 相當復雜的過程。需要注意的是，重排序的代碼和原來的代碼在代碼上一致并不等價于計算 結果一致，因為浮點操作缺乏精確度。在一些情況下，這些優(yōu)化可能導致意料之外的結果。 幸運的是，在大局部情況下，最后結果可能只有最不重要的位(即最低位)是錯誤的。 不好的代碼：double a100, sum；int i；sum = O.Of；for (i=0； i100； i+)sum += ai；推薦的代碼：do

13、uble a100, suml, sum2, sum3, sum4, sum；int i；suml = sum2 = sum3 = sum4 = 0.0；for (i = 0； i 100； i += 4)(suml += ai；sum2 += ai+l；sum3 += ai+2；sum4 += ai+3；)sum = (sum4+sum3)+(sum 1 +sum2)；要注意的是：使用4路分解是因為這樣使用了4段流水線浮點加法，浮點加法的每一 個段占用一個時鐘周期，保證了最大的資源利用率。(2)防止沒有必要的讀寫依賴當數(shù)據(jù)保存到內存時存在讀寫依賴，即數(shù)據(jù)必須在正確寫入后才能再次讀取。雖然 A

14、MD Athlon等CPU有加速讀寫依賴延遲的硬件，允許在要保存的數(shù)據(jù)被寫入內存前讀取 出來，但是，如果防止了讀寫依賴并把數(shù)據(jù)保存在內部寄存器中，速度會更快。在一段很長 的又互相依賴的代碼鏈中，防止讀寫依賴顯得尤其重要。如果讀寫依賴發(fā)生在操作數(shù)組時, 許多編譯器不能自動優(yōu)化代碼以防止讀寫依賴。所以推薦程序員手動去消除讀寫依賴，舉例 來說，引進一個可以保存在寄存器中的臨時變量。這樣可以有很大的性能提升。下面一段代 碼是一個例子：不好的代碼：float xVECLEN, yVECLEN, zVECLEN；o o o o o ofbr (unsigned int k = 1 ； k VECLEN ；

15、 k +)sxk = xk-l + yk；)for(k= 1； k VECLEN ； k+)(xk = zk * (yk - xk-l)；)推薦的代碼：float xVECLEN, yVECLEN, zVECLEN；o o o o o ofloat t(xOJ)；fbr (unsigned int k = 1 ； k VECLEN ； k +)t = t + yk；xk = t；)t = x|01；for (k= 1； kb-c 4 -aardvark +a-b-c4-baboon +a-b-c4-cheetah +a-b-c4-dog;新代碼：struct animals * temp =

16、a-b-c4;total =temp-aardvark +temp-baboon +temp-cheetah +temp-dog;一些老的C語言編譯器不做聚合優(yōu)化，而符合ANSI規(guī)范的新的編譯器可以自動完成 這個優(yōu)化，看例子：float a, b, c, d, f, g;o o oa = b / c * d;f = b * g / c;這種寫法當然要得，但是沒有優(yōu)化float a, b, c, d, f, g;o o oa = b / c * d;f = b / c * g;如果這么寫的話，一個符合ANSI規(guī)范的新的編譯器可以只計算b/c一次，然后將結果代入 第二個式子，節(jié)約了一次除法運算。8

17、、函數(shù)優(yōu)化(1) Inline 函數(shù)在C+中，關鍵字Inline可以被加入到任何函數(shù)的聲明中。這個關鍵字請求編譯器用函 數(shù)內部的代碼替換所有對于指出的函數(shù)的調用。這樣做在兩個方面快于函數(shù)調用：第一， 省去了調用指令需要的執(zhí)行時間；第二，省去了傳遞變元和傳遞過程需要的時間。但是使用 這種方法在優(yōu)化程序速度的同時，程序長度變大了，因此需要更多的ROM。使用這種優(yōu)化 在Inline函數(shù)頻繁調用并且只包含幾行代碼的時候是最有效的。(2)不定義不使用的返回值函數(shù)定義并不知道函數(shù)返回值是否被使用，假如返回值從來不會被用到，應該使用void 來明確聲明函數(shù)不返回任何值。elsereturn i * fact

18、orial(i - 1);)新代碼：static long factorial_table=1, 1, 2, 6, 24, 120, 720 /* etc */;long factorial(int i)return factorial_tablei;)如果表很大，不好寫，就寫一個init函數(shù)，在循環(huán)外臨時生成表格。(2)、求余運算a=a%8;可以改為：a=a&7;說明：位操作只需一個指令周期即可完成，而大局部的C編譯器的“”運算均是調用子程 序來完成，代碼長、執(zhí)行速度慢。通常，只要求是求2n方的余數(shù)，均可使用位操作的方法 來代替。(3)、平方運算a=pow(a, 2.0);可以改為：a=a*

19、a;說明：在有內置硬件乘法器的單片機中(如51系列)，乘法運算比求平方運算快得多，因為 浮點數(shù)的求平方是通過調用子程序來實現(xiàn)的，在自帶硬件乘法器的AVR單片機中，如 ATMegal63中，乘法運算只需2個時鐘周期就可以完成。既使是在沒有內置硬件乘法器的 AVR單片機中，乘法運算的子程序比平方運算的子程序代碼短，執(zhí)行速度快。如果是求3次方，如：a=pow(a, 3o 0);更改為：a=a*a*a；那么效率的改善更明顯。(4)、用移位實現(xiàn)乘除法運算a=a*4;b=b/4;(3)減少函數(shù)調用參數(shù)使用全局變量比函數(shù)傳遞參數(shù)更加有效率。這樣做去除了函數(shù)調用參數(shù)入棧和函數(shù)完成 后參數(shù)出棧所需要的時間。然而

20、決定使用全局變量會影響程序的模塊化和重入，故要慎重使 用。(4)所有函數(shù)都應該有原型定義一般來說，所有函數(shù)都應該有原型定義。原型定義可以傳達給編譯器更多的可能用于 優(yōu)化的信息。(5)盡可能使用常量(const)盡可能使用常量(const)。C+標準規(guī)定，如果一個const聲明的對象的地址不被獲取， 允許編譯器不對它分配儲存空間。這樣可以使代碼更有效率，而且可以生成更好的代碼。(6)把本地函數(shù)聲明為靜態(tài)的(static)如果一個函數(shù)只在實現(xiàn)它的文件中被使用，把它聲明為靜態(tài)的(static)以強制使用內部 連接。否那么，默認的情況下會把函數(shù)定義為外部連接。這樣可能會影響某些編譯器的優(yōu)化一 一比方，

21、自動內聯(lián)。9、采用遞歸與LISP之類的語言不同，C語言一開始就病態(tài)地喜歡用重復代碼循環(huán)，許多C程序員 都是除非算法要求，堅決不用遞歸。事實上，C編譯器們對優(yōu)化遞歸調用一點都不反感，相 反，它們還很喜歡干這件事。只有在遞歸函數(shù)需要傳遞大量參數(shù)，可能造成瓶頸的時候，才 應該使用循環(huán)代碼，其他時候，還是用遞歸好些。10、變量(1) register 變量在聲明局部變量的時候可以使用register關鍵字。這就使得編譯器把變量放入一個多 用途的寄存器中，而不是在堆棧中，合理使用這種方法可以提高執(zhí)行速度。函數(shù)調用越是頻 繁，越是可能提高代碼的速度。在最內層循環(huán)防止使用全局變量和靜態(tài)變量，除非你能確定它在

22、循環(huán)周期中不會動態(tài) 變化，大多數(shù)編譯器優(yōu)化變量都只有一個方法，就是將他們置成寄存器變量，而對于動態(tài)變 量，它們干脆放棄對整個表達式的優(yōu)化。盡量防止把一個變量地址傳遞給另一個函數(shù)，雖然 這個還很常用。C語言的編譯器們總是先假定每一個函數(shù)的變量都是內部變量，這是由它的 機制決定的，在這種情況下，它們的優(yōu)化完成得最好。但是，一旦一個變量有可能被別的函 數(shù)改變，這幫兄弟就再也不敢把變量放到寄存器里了，嚴重影響速度?？蠢樱篴 = b();c(&d);因為d的地址被C函數(shù)使用，有可能被改變，編譯器不敢把它長時間的放在寄存器里， 一旦運行到c(&d),編譯器就把它放回內存，如果在循環(huán)里，會造成N次頻繁的在

23、內存和寄 存器之間讀寫d的動作，眾所周知,CPU在系統(tǒng)總線上的讀寫速度慢得很。比方你的賽楊300, CPU主頻300,總線速度最多66M,為了一個總線讀，CPU可能要等4-5個周期，得。得。 得。想起來都打顫。(2)、同時聲明多個變量優(yōu)于單獨聲明變量(3)、短變量名優(yōu)于長變量名，應盡量使變量名短一點(4)、在循環(huán)開始前聲明變量11、使用嵌套的if結構在if結構中如果要判斷的并列條件較多，最好將它們拆分成多個if結構，然后嵌套在 一起，這樣可以防止無謂的判斷。說明：上面的優(yōu)化方案由王全明。很多資料來源與網上，出處不祥，在此對所有作者 一并致謝！該方案主要是考慮到在嵌入式開發(fā)中對程序執(zhí)行速度的要求

24、特別高，所以該方案主要是 為了優(yōu)化程序的執(zhí)行速度。注意：優(yōu)化是有側重點的，優(yōu)化是一門平衡的藝術，它往往要以犧牲程序的可讀性或者 增加代碼長度為代價。（任何情況下，空間優(yōu)化和時間優(yōu)化都是對立的-東樓）。 Feisky出處：可以改為：a=a2;b=b2;通常如果需要乘以或除以2m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碼，而乘以其它的整數(shù)或除以任何數(shù)，均調用乘除法子程序。用移 位的方法得到代碼比調用乘除法子程序生成的代碼效率高。實際上，只要是乘以或除以一個 整數(shù)，均可以用移位的方法得到結果，如：a=a*9可以改為：a=(a3)+a采用運算量更小的表達式替換原來的

25、表達式，下面是一個經典例子： 舊代碼：x = w % 8;y = pow(x, 2.0);z = y * 33;for (i = 0;i MAX;i+)(h = 14 * i;printf(n%dH, h);)新代碼：x = w & 7;/*位操作比求余運算快*/y = x * x; /*乘法比平方運算快*/z = (y 5) + y; /*位移乘法比乘法快*/for (i = h = 0; i 0)while (*q (*r = a / *q)(*q = (*q + *r) 1 ；)r = a - *q * *q；推薦的代碼：/假設q != rvoid isqrt(unsigned long a, unsigned long* q, unsigned long* r) unsigned long qq, rr；qq = a；if(a0)while (qq (rr = a / qq)(qq = (qq + rr) 1 ；)rr = a - qq * qq；q = qq；r = rr；)5、循環(huán)優(yōu)化(1)、充分分解小的循環(huán)要充分利用CPU的指令緩存，就要充分分解小的循環(huán)。特別是當循環(huán)體本身很小的時 候，分解循環(huán)可以提高性能。注意:很多編譯器并不能自動分解循環(huán)。不好的代碼：/ 3D轉化：把矢量V和4x4