嵌入式C語言代碼優(yōu)化方案(深度好文,建議花時(shí)間研讀并收藏)

1、選擇合適的算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

選擇一種合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很重要，如果在一堆隨機(jī)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(guān)系，一般來說，指針比較靈活簡潔，而數(shù)組則比較直觀，容易理解。對(duì)于大部分的編譯器，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(yùn)算代替數(shù)組索引，這樣做常常能產(chǎn)生又快又短的代碼。與數(shù)組索引相比，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(shí)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(yùn)算

    For(;;){               p=array

    A=array[t++];          for(;;){

                                a=*(p++);

    。。。。。。。。。。。。。。。

    }                      }

指針方法的優(yōu)點(diǎn)是，array的地址每次裝入地址p后，在每次循環(huán)中只需對(duì)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(biāo)的復(fù)雜運(yùn)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(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。當(dāng)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(bào)錯(cuò)，但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯(cuò)了，而且這樣的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。

在ICCAVR中，可以在Options中設(shè)定使用printf參數(shù)，盡量使用基本型參數(shù)(%c、%d、%x、%X、%u和%s格式說明符)，少用長整型參數(shù)(%ld、%lu、%lx和%lX格式說明符)，至于浮點(diǎn)型的參數(shù)(%f)則盡量不要使用，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(huì)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(yùn)算的強(qiáng)度

(1)、查表(游戲程序員必修課)

一個(gè)聰明的游戲大蝦，基本上不會(huì)在自己的主循環(huán)里搞什么運(yùn)算工作，絕對(duì)是先計(jì)算好了，再到循環(huán)里查表。看下面的例子：

舊代碼：

long factorial(int i)
{
    if (i == 0)
      return 1;
    else
      return i * factorial(i - 1);
}

新代碼：

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，不好寫，就寫一個(gè)init函數(shù)，在循環(huán)外臨時(shí)生成表格。

(2)求余運(yùn)算

a=a%8;

可以改為：

a=a&7;

說明：位操作只需一個(gè)指令周期即可完成，而大部分的C編譯器的“%”運(yùn)算均是調(diào)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(yùn)算

a=pow(a, 2.0);

可以改為：

a=a*a;

說明：在有內(nèi)置硬件乘法器的單片機(jī)中(如51系列)，乘法運(yùn)算比求平方運(yùn)算快得多，因?yàn)楦↑c(diǎn)數(shù)的求平方是通過調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)的，在自帶硬件乘法器的AVR單片機(jī)中，如ATMega163中，乘法運(yùn)算只需2個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成。既使是在沒有內(nèi)置硬件乘法器的AVR單片機(jī)中，乘法運(yùn)算的子程序比平方運(yùn)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，3.0);

更改為：

a=a*a*a；

則效率的改善更明顯。

(4)用移位實(shí)現(xiàn)乘除法運(yùn)算

a=a*4;
b=b/4;

可以改為：

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碼，而乘以其它的整數(shù)或除以任何數(shù)，均調(diào)用乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比調(diào)用乘除法子程序生成的代碼效率高。實(shí)際上，只要是乘以或除以一個(gè)整數(shù)，均可以用移位的方法得到結(jié)果，如：

a=a*9

可以改為：

a=(a<<3)+a

采用運(yùn)算量更小的表達(dá)式替換原來的表達(dá)式，下面是一個(gè)經(jīng)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("%d"， h);
}

新代碼:

x = w & 7;                 /* 位操作比求余運(yùn)算快*/
y = x * x;                 /* 乘法比平方運(yùn)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)避免不必要的整數(shù)除法

整數(shù)除法是整數(shù)運(yùn)算中最慢的，所以應(yīng)該盡可能避免。一種可能減少整數(shù)除法的地方是連除，這里除法可以由乘法代替。這個(gè)替換的副作用是有可能在算乘積時(shí)會(huì)溢出，所以只能在一定范圍的除法中使用。

不好的代碼：

int i， j， k， m；
m = i / j / k；

推薦的代碼：

int i， j， k， m；
m = i / (j * k)；

(6)使用增量和減量操作符

在使用到加一和減一操作時(shí)盡量使用增量和減量操作符，因?yàn)樵隽糠Z句比賦值語句更快，原因在于對(duì)大多數(shù)CPU來說，對(duì)內(nèi)存字的增、減量操作不必明顯地使用取內(nèi)存和寫內(nèi)存的指令，比如下面這條語句：

x=x+1;

模仿大多數(shù)微機(jī)匯編語言為例，產(chǎn)生的代碼類似于：

move A，x      ;把x從內(nèi)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，生成的代碼如下：

incr x           ;x加1

顯然，不用取指令和存指令，增、減量操作執(zhí)行的速度加快，同時(shí)長度也縮短了。

(7)使用復(fù)合賦值表達(dá)式

復(fù)合賦值表達(dá)式(如a-=1及a+=1等)都能夠生成高質(zhì)量的程序代碼。

(8)提取公共的子表達(dá)式

在某些情況下，C++編譯器不能從浮點(diǎn)表達(dá)式中提出公共的子表達(dá)式，因?yàn)檫@意味著相當(dāng)于對(duì)表達(dá)式重新排序。需要特別指出的是，編譯器在提取公共子表達(dá)式前不能按照代數(shù)的等價(jià)關(guān)系重新安排表達(dá)式。這時(shí)，程序員要手動(dòng)地提出公共的子表達(dá)式（在VC.NET里有一項(xiàng)“全局優(yōu)化”選項(xiàng)可以完成此工作，但效果就不得而知了）。

不好的代碼：

float a， b， c， d， e， f；
。。。
e = b * c / d；
f = b / d * a；

推薦的代碼：

float a， b， c， d， e， f；
。。。
const float t(b / d)；
e = c * t；
f = a * t；

不好的代碼：

float a， b， c， e， f；
。。。
e = a / c；
f = b / c；

推薦的代碼：

float a， b， c， e， f；
。。。
const float t(1.0f / c)；
e = a * t；
f = b * t；

4、結(jié)構(gòu)體成員的布局

很多編譯器有“使結(jié)構(gòu)體字，雙字或四字對(duì)齊”的選項(xiàng)。但是，還是需要改善結(jié)構(gòu)體成員的對(duì)齊，有些編譯器可能分配給結(jié)構(gòu)體成員空間的順序與他們聲明的不同。但是，有些編譯器并不提供這些功能，或者效果不好。所以，要在付出最少代價(jià)的情況下實(shí)現(xiàn)最好的結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)體成員對(duì)齊，建議采取下列方法：

(1)按數(shù)據(jù)類型的長度排序

把結(jié)構(gòu)體的成員按照它們的類型長度排序，聲明成員時(shí)把長的類型放在短的前面。編譯器要求把長型數(shù)據(jù)類型存放在偶數(shù)地址邊界。在申明一個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型 (既有多字節(jié)數(shù)據(jù)又有單字節(jié)數(shù)據(jù)) 時(shí)，應(yīng)該首先存放多字節(jié)數(shù)據(jù)，然后再存放單字節(jié)數(shù)據(jù)，這樣可以避免內(nèi)存的空洞。編譯器自動(dòng)地把結(jié)構(gòu)的實(shí)例對(duì)齊在內(nèi)存的偶數(shù)邊界。

(2)把結(jié)構(gòu)體填充成最長類型長度的整倍數(shù)

把結(jié)構(gòu)體填充成最長類型長度的整倍數(shù)。照這樣，如果結(jié)構(gòu)體的第一個(gè)成員對(duì)齊了，所有整個(gè)結(jié)構(gòu)體自然也就對(duì)齊了。下面的例子演示了如何對(duì)結(jié)構(gòu)體成員進(jìn)行重新排序：

不好的代碼，普通順序：

struct
{
  char a[5]；
  long k；
  double x；
} baz；

推薦的代碼，新的順序并手動(dòng)填充了幾個(gè)字節(jié)：

struct
{
  double x；
  long k；
  char a[5]；
  char pad[7]；
} baz；

這個(gè)規(guī)則同樣適用于類的成員的布局。

(3)按數(shù)據(jù)類型的長度排序本地變量

當(dāng)編譯器分配給本地變量空間時(shí)，它們的順序和它們?cè)谠创a中聲明的順序一樣，和上一條規(guī)則一樣，應(yīng)該把長的變量放在短的變量前面。如果第一個(gè)變量對(duì)齊了，其它變量就會(huì)連續(xù)的存放，而且不用填充字節(jié)自然就會(huì)對(duì)齊。有些編譯器在分配變量時(shí)不會(huì)自動(dòng)改變變量順序，有些編譯器不能產(chǎn)生4字節(jié)對(duì)齊的棧，所以4字節(jié)可能不對(duì)齊。下面這個(gè)例子演示了本地變量聲明的重新排序：

不好的代碼，普通順序

short ga， gu， gi；
long foo， bar；
double x， y， z[3]；
char a， b；
float baz；

推薦的代碼，改進(jìn)的順序

double z[3]；
double x， y；
long foo， bar；
float baz；
short ga， gu， gi；

(4)把頻繁使用的指針型參數(shù)拷貝到本地變量

避免在函數(shù)中頻繁使用指針型參數(shù)指向的值。因?yàn)榫幾g器不知道指針之間是否存在沖突，所以指針型參數(shù)往往不能被編譯器優(yōu)化。這樣數(shù)據(jù)不能被存放在寄存器中，而且明顯地占用了內(nèi)存帶寬。注意，很多編譯器有“假設(shè)不沖突”優(yōu)化開關(guān)（在VC里必須手動(dòng)添加編譯器命令行/Oa或/Ow），這允許編譯器假設(shè)兩個(gè)不同的指針總是有不同的內(nèi)容，這樣就不用把指針型參數(shù)保存到本地變量。否則，請(qǐng)?jiān)诤瘮?shù)一開始把指針指向的數(shù)據(jù)保存到本地變量。如果需要的話，在函數(shù)結(jié)束前拷貝回去。

不好的代碼：

// 假設(shè) 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；
}

推薦的代碼：

// 假設(shè) 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(dāng)循環(huán)體本身很小的時(shí)候，分解循環(huán)可以提高性能。注意:很多編譯器并不能自動(dòng)分解循環(huán)。不好的代碼：

// 3D轉(zhuǎn)化：把矢量 V 和 4x4 矩陣 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]；
　　}
}

推薦的代碼：

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

對(duì)于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面，這里的任務(wù)包括表達(dá)式、函數(shù)的調(diào)用、指針運(yùn)算、數(shù)組訪問等，應(yīng)該將沒有必要執(zhí)行多次的操作全部集合在一起，放到一個(gè)init的初始化程序中進(jìn)行。

(3)延時(shí)函數(shù)

通常使用的延時(shí)函數(shù)均采用自加的形式：

void delay (void)
{
  unsigned int i;
  for (i=0;i<1000;i++) ;
}

將其改為自減延時(shí)函數(shù)：

void delay (void)
{
  unsigned int i;
  for (i=1000;i>0;i--) ;
}

兩個(gè)函數(shù)的延時(shí)效果相似，但幾乎所有的C編譯對(duì)后一種函數(shù)生成的代碼均比前一種代碼少1~3個(gè)字節(jié)，因?yàn)閹缀跛械腗CU均有為0轉(zhuǎn)移的指令，采用后一種方式能夠生成這類指令。在使用while循環(huán)時(shí)也一樣，使用自減指令控制循環(huán)會(huì)比使用自加指令控制循環(huán)生成的代碼更少1~3個(gè)字母。但是在循環(huán)中有通過循環(huán)變量“i”讀寫數(shù)組的指令時(shí)，使用預(yù)減循環(huán)有可能使數(shù)組超界，要引起注意。

(4)while循環(huán)和do…while循環(huán)

用while循環(huán)時(shí)有以下兩種循環(huán)形式：

unsigned int i;
i=0;
while (i<1000)
{
   i++;
   //用戶程序
}

或：

unsigned int i;
i=1000;
do
{
   i--;
   //用戶程序
}
while (i>0);

在這兩種循環(huán)中，使用do…while循環(huán)編譯后生成的代碼的長度短于while循環(huán)。

(5)循環(huán)展開

這是經(jīng)典的速度優(yōu)化，但許多編譯程序(如gcc -funroll-loops)能自動(dòng)完成這個(gè)事，所以現(xiàn)在你自己來優(yōu)化這個(gè)顯得效果不明顯。

舊代碼:

for (i = 0; i < 100; i++)
{
  do_stuff(i);
}

新代碼:

for (i = 0; i < 100; )
{
  do_stuff(i); 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++;
  do_stuff(i); i++;
  do_stuff(i); i++;
  do_stuff(i); i++;
}

可以看出，新代碼里比較指令由100次降低為10次，循環(huán)時(shí)間節(jié)約了90%。不過注意:對(duì)于中間變量或結(jié)果被更改的循環(huán)，編譯程序往往拒絕展開，(怕?lián)?zé)任唄)，這時(shí)候就需要你自己來做展開工作了。

還有一點(diǎn)請(qǐng)注意，在有內(nèi)部指令cache的CPU上(如MMX芯片)，因?yàn)檠h(huán)展開的代碼很大，往往cache溢出，這時(shí)展開的代碼會(huì)頻繁地在CPU 的cache和內(nèi)存之間調(diào)來調(diào)去，又因?yàn)閏ache速度很高，所以此時(shí)循環(huán)展開反而會(huì)變慢。還有就是循環(huán)展開會(huì)影響矢量運(yùn)算優(yōu)化。

(6)循環(huán)嵌套

把相關(guān)循環(huán)放到一個(gè)循環(huán)里，也會(huì)加快速度。

舊代碼:

for (i = 0; i < MAX; i++)         /* initialize 2d array to 0's */
    for (j = 0; j < MAX; j++)
        a[i][j] = 0.0;
    for (i = 0; i < MAX; i++)        /* put 1's along the diagonal */
        a[i][i] = 1.0;

新代碼:

for (i = 0; i < MAX; i++)         /* initialize 2d array to 0's */
{
    for (j = 0; j < MAX; j++)
        a[i][j] = 0.0;
    a[i][i] = 1.0;                            /* put 1's along the diagonal */
}

(7)Switch語句中根據(jù)發(fā)生頻率來進(jìn)行case排序

Switch 可能轉(zhuǎn)化成多種不同算法的代碼。其中最常見的是跳轉(zhuǎn)表和比較鏈/樹。當(dāng)switch用比較鏈的方式轉(zhuǎn)化時(shí)，編譯器會(huì)產(chǎn)生if-else-if的嵌套代碼，并按照順序進(jìn)行比較，匹配時(shí)就跳轉(zhuǎn)到滿足條件的語句執(zhí)行。所以可以對(duì)case的值依照發(fā)生的可能性進(jìn)行排序，把最有可能的放在第一位，這樣可以提高性能。此外，在case中推薦使用小的連續(xù)的整數(shù)，因?yàn)樵谶@種情況下，所有的編譯器都可以把switch 轉(zhuǎn)化成跳轉(zhuǎn)表。

不好的代碼：

int days_in_month， short_months， normal_months， long_months；

。。。。。。

switch (days_in_month)
{
　　case 28:
　　case 29:
　　　　short_months ++；
　　　　break；
　　case 30:
　　　　normal_months ++；
　　　　break；
　　case 31:
　　　　long_months ++；
　　　　break；
　　default:
　　　　cout << "month has fewer than 28 or more than 31 days" << endl；
　　　　break；
}

推薦的代碼：

int days_in_month， short_months， normal_months， long_months；

。。。。。。

switch (days_in_month)
{
　　case 31:
　　　　long_months ++；
　　　　break；
　　case 30:
　　　　normal_months ++；
　　　　break；
　　case 28:
　　case 29:
　　　　short_months ++；
　　　　break；
　　default:
　　　　cout << "month has fewer than 28 or more than 31 days" << endl；
　　　　break；
}

(8)將大的switch語句轉(zhuǎn)為嵌套switch語句

當(dāng)switch語句中的case標(biāo)號(hào)很多時(shí)，為了減少比較的次數(shù)，明智的做法是把大switch語句轉(zhuǎn)為嵌套switch語句。把發(fā)生頻率高的case 標(biāo)號(hào)放在一個(gè)switch語句中，并且是嵌套switch語句的最外層，發(fā)生相對(duì)頻率相對(duì)低的case標(biāo)號(hào)放在另一個(gè)switch語句中。比如，下面的程序段把相對(duì)發(fā)生頻率低的情況放在缺省的case標(biāo)號(hào)內(nèi)。

pMsg=ReceiveMessage();
switch (pMsg->type)
{
      case FREQUENT_MSG1:
        handleFrequentMsg();
        break;
      case FREQUENT_MSG2:
        handleFrequentMsg2();
        break;
        。。。。。。
      case FREQUENT_MSGn:
        handleFrequentMsgn();
        break;
      default:                     //嵌套部分用來處理不經(jīng)常發(fā)生的消息
        switch (pMsg->type)
        {
          case INFREQUENT_MSG1:
               handleInfrequentMsg1();
               break;
          case INFREQUENT_MSG2:
               handleInfrequentMsg2();
               break;
        。。。。。。
          case INFREQUENT_MSGm:
              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(gè)switch語句用一個(gè)指向函數(shù)指針的表來替換會(huì)更加有效，比如下面的switch語句，有三種情況：

enum MsgType{Msg1， Msg2， Msg3}
switch (ReceiveMessage()
{
    case Msg1;
        。。。。。。
    case Msg2;
        。。。。。
    case Msg3;
        。。。。。
}

為了提高執(zhí)行速度，用下面這段代碼來替換這個(gè)上面的switch語句。

/*準(zhǔn)備工作*/
int handleMsg1(void);
int handleMsg2(void);
int handleMsg3(void);
/*創(chuàng)建一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組*/
int (*MsgFunction [])()={handleMsg1， handleMsg2， handleMsg3};
/*用下面這行更有效的代碼來替換switch語句*/
status=MsgFunction[ReceiveMessage()]();

(9)循環(huán)轉(zhuǎn)置

有些機(jī)器對(duì)JNZ(為0轉(zhuǎn)移)有特別的指令處理，速度非?？?，如果你的循環(huán)對(duì)方向不敏感，可以由大向小循環(huán)。

舊代碼:

for (i = 1; i <= MAX; i++)
{
   。。。
}

新代碼:

i = MAX+1;
while (--i)
{
  。。。
}

不過千萬注意，如果指針操作使用了i值，這種方法可能引起指針越界的嚴(yán)重錯(cuò)誤(i = MAX+1;)。當(dāng)然你可以通過對(duì)i做加減運(yùn)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 a[MAX+5];
for (i = 1; i <= MAX; i++)
{
  *(a+i+4)=0;
}

新代碼:

i = MAX+1;
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(diào)用需要，往往在內(nèi)部采用了大量的if-then-else結(jié)構(gòu)，這樣很不好，判斷語句如果太復(fù)雜，會(huì)消耗大量的時(shí)間的，應(yīng)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(shí)間優(yōu)化都是對(duì)立的--東樓)。當(dāng)然，如果僅僅是一個(gè)(3==x)之類的簡單判斷，適當(dāng)使用一下，也還是允許的。記住，優(yōu)化永遠(yuǎn)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(jì)算非常有用（比如，不隨循環(huán)變化的計(jì)算）。

不好的代碼(在for()中包含不變的if())：

for( i 。。。)
{
　　if( CONSTANT0 )
　　{
　　  　DoWork0( i )；// 假設(shè)這里不改變CONSTANT0的值
　　}
　　else
　　{
　　　　DoWork1( i )；// 假設(shè)這里不改變CONSTANT0的值
　　}
}

推薦的代碼：

if( CONSTANT0 )
{
　　for( i 。。。)
　　{
　　　　DoWork0( i )；
　　}
}
else
{
　　for( i 。。。)
　　{
　　　　DoWork1( i )；
　　}
}

如果已經(jīng)知道if()的值，這樣可以避免重復(fù)計(jì)算。雖然不好的代碼中的分支可以簡單地預(yù)測，但是由于推薦的代碼在進(jìn)入循環(huán)前分支已經(jīng)確定，就可以減少對(duì)分支預(yù)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 (；；)。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 foo+23h

顯然，for (；；)指令少，不占用寄存器，而且沒有判斷、跳轉(zhuǎn)，比while (1)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(gè)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(jí)語言，包括C++，并不對(duì)產(chǎn)生的浮點(diǎn)表達(dá)式重新排序，因?yàn)槟鞘且粋€(gè)相當(dāng)復(fù)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(jià)于計(jì)算結(jié)果一致，因?yàn)楦↑c(diǎn)操作缺乏精確度。在一些情況下，這些優(yōu)化可能導(dǎo)致意料之外的結(jié)果。幸運(yùn)的是，在大部分情況下，最后結(jié)果可能只有最不重要的位（即最低位）是錯(cuò)誤的。

不好的代碼：

double a[100]， sum；
int i；
sum = 0.0f；
for (i=0；i<100；i++)
sum += a[i]；

推薦的代碼：

double a[100]， sum1， sum2， sum3， sum4， sum；

int i；

sum1 = sum2 = sum3 = sum4 = 0.0；
for (i = 0；i < 100；i += 4)
{
　　sum1 += a[i]；
　　sum2 += a[i+1]；
　　sum3 += a[i+2]；
　　sum4 += a[i+3]；
}
sum = (sum4+sum3)+(sum1+sum2)；

要注意的是：使用4路分解是因?yàn)檫@樣使用了4段流水線浮點(diǎn)加法，浮點(diǎn)加法的每一個(gè)段占用一個(gè)時(shí)鐘周期，保證了最大的資源利用率。

(2)避免沒有必要的讀寫依賴

當(dāng)數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存時(shí)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AMD 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(nèi)存前讀取出來，但是，如果避免了讀寫依賴并把數(shù)據(jù)保存在內(nèi)部寄存器中，速度會(huì)更快。在一段很長的又互相依賴的代碼鏈中，避免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(shí)，許多編譯器不能自動(dòng)優(yōu)化代碼以避免讀寫依賴。所以推薦程序員手動(dòng)去消除讀寫依賴，舉例來說，引進(jìn)一個(gè)可以保存在寄存器中的臨時(shí)變量。這樣可以有很大的性能提升。下面一段代碼是一個(gè)例子：

不好的代碼：

float x[VECLEN]， y[VECLEN]， z[VECLEN]；
。。。。。。
for (unsigned int k = 1；k < VECLEN；k ++)
{
　　x[k] = x[k-1] + y[k]；
}

for (k = 1；k <VECLEN；k++)
{
　　x[k] = z[k] * (y[k] - x[k-1])；
}

推薦的代碼：

float x[VECLEN]， y[VECLEN]， z[VECLEN]；
。。。。。。
float t(x[0])；
for (unsigned int k = 1；k < VECLEN；k ++)
{
　　t = t + y[k]；
　　x[k] = t；
}
t = x[0]；
for (k = 1；k <；VECLEN；k ++)
{
　　t = z[k] * (y[k] - t)；
　　x[k] = t；
}

7、循環(huán)不變計(jì)算

對(duì)于一些不需要循環(huán)變量參加運(yùn)算的計(jì)算任務(wù)可以把它們放到循環(huán)外面，現(xiàn)在許多編譯器還是能自己干這件事，不過對(duì)于中間使用了變量的算式它們就不敢動(dòng)了，所以很多情況下你還得自己干。對(duì)于那些在循環(huán)中調(diào)用的函數(shù)，凡是沒必要執(zhí)行多次的操作通通提出來，放到一個(gè)init函數(shù)里，循環(huán)前調(diào)用。另外盡量減少喂食次數(shù)，沒必要的話盡量不給它傳參，需要循環(huán)變量的話讓它自己建立一個(gè)靜態(tài)循環(huán)變量自己累加，速度會(huì)快一點(diǎn)。

還有就是結(jié)構(gòu)體訪問，東樓的經(jīng)驗(yàn)，凡是在循環(huán)里對(duì)一個(gè)結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)以上的元素執(zhí)行了訪問，就有必要建立中間變量了(結(jié)構(gòu)這樣，那C++的對(duì)象呢?想想看)，看下面的例子:

舊代碼:

total = a->b->c[4]->aardvark + a->b->c[4]->baboon + a->b->c[4]->cheetah + a->b->c[4]->dog;

新代碼:

struct animals * temp = a->b->c[4];
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(dòng)完成這個(gè)優(yōu)化，看例子:

float a， b， c， d， f， g;
。。。
a = b / c * d;
f = b * g / c;

這種寫法當(dāng)然要得，但是沒有優(yōu)化

float a， b， c， d， f， g;
。。。
a = b / c * d;
f = b / c * g;

如果這么寫的話，一個(gè)符合ANSI規(guī)范的新的編譯器可以只計(jì)算b/c一次，然后將結(jié)果代入第二個(gè)式子，節(jié)約了一次除法運(yùn)算。

8、函數(shù)優(yōu)化

(1)Inline函數(shù)

在C++中，關(guān)鍵字Inline可以被加入到任何函數(shù)的聲明中。這個(gè)關(guān)鍵字請(qǐng)求編譯器用函數(shù)內(nèi)部的代碼替換所有對(duì)于指出的函數(shù)的調(diào)用。這樣做在兩個(gè)方面快于函數(shù)調(diào)用：第一，省去了調(diào)用指令需要的執(zhí)行時(shí)間；第二，省去了傳遞變?cè)蛡鬟f過程需要的時(shí)間。但是使用這種方法在優(yōu)化程序速度的同時(shí)，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(diào)用并且只包含幾行代碼的時(shí)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(huì)被用到，應(yīng)該使用void來明確聲明函數(shù)不返回任何值。

(3)減少函數(shù)調(diào)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(diào)用參數(shù)入棧和函數(shù)完成后參數(shù)出棧所需要的時(shí)間。然而決定使用全局變量會(huì)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(yīng)該有原型定義

一般來說，所有函數(shù)都應(yīng)該有原型定義。原型定義可以傳達(dá)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果一個(gè)const聲明的對(duì)象的地址不被獲取，允許編譯器不對(duì)它分配儲(chǔ)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(gè)函數(shù)只在實(shí)現(xiàn)它的文件中被使用，把它聲明為靜態(tài)的(static)以強(qiáng)制使用內(nèi)部連接。否則，默認(rèn)的情況下會(huì)把函數(shù)定義為外部連接。這樣可能會(huì)影響某些編譯器的優(yōu)化——比如，自動(dòng)內(nèi)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(fù)代碼循環(huán)，許多C程序員都是除非算法要求，堅(jiān)決不用遞歸。事實(shí)上，C編譯器們對(duì)優(yōu)化遞歸調(diào)用一點(diǎn)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(shí)候，才應(yīng)該使用循環(huán)代碼，其他時(shí)候，還是用遞歸好些。

10、變量

(1)register變量

在聲明局部變量的時(shí)候可以使用register關(guān)鍵字。這就使得編譯器把變量放入一個(gè)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(diào)用越是頻繁，越是可能提高代碼的速度。

在最內(nèi)層循環(huán)避免使用全局變量和靜態(tài)變量，除非你能確定它在循環(huán)周期中不會(huì)動(dòng)態(tài)變化，大多數(shù)編譯器優(yōu)化變量都只有一個(gè)辦法，就是將他們置成寄存器變量，而對(duì)于動(dòng)態(tài)變量，它們干脆放棄對(duì)整個(gè)表達(dá)式的優(yōu)化。盡量避免把一個(gè)變量地址傳遞給另一個(gè)函數(shù)，雖然這個(gè)還很常用。C語言的編譯器們總是先假定每一個(gè)函數(shù)的變量都是內(nèi)部變量，這是由它的機(jī)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(gè)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(yán)重影響速度。看例子：

a = b();
c(&d);

因?yàn)閐的地址被c函數(shù)使用，有可能被改變，編譯器不敢把它長時(shí)間的放在寄存器里，一旦運(yùn)行到c(&d)，編譯器就把它放回內(nèi)存，如果在循環(huán)里，會(huì)造成N次頻繁的在內(nèi)存和寄存器之間讀寫d的動(dòng)作，眾所周知，CPU在系統(tǒng)總線上的讀寫速度慢得很。比如你的賽楊300，CPU主頻300，總線速度最多66M，為了一個(gè)總線讀，CPU可能要等4-5個(gè)周期，得。。得。。得。。想起來都打顫。

(2)同時(shí)聲明多個(gè)變量優(yōu)于單獨(dú)聲明變量

(3)短變量名優(yōu)于長變量名，應(yīng)盡量使變量名短一點(diǎn)

(4)在循環(huán)開始前聲明變量

11、使用嵌套的if結(jié)構(gòu)

在if結(jié)構(gòu)中如果要判斷的并列條件較多，最好將它們拆分成多個(gè)if結(jié)構(gòu)，然后嵌套在一起，這樣可以避免無謂的判斷。

說明：

上面的優(yōu)化方案由王全明收集整理。很多資料來源于網(wǎng)上，出處不祥，在此對(duì)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(duì)程序執(zhí)行速度的要求特別高，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(cè)重點(diǎn)的，優(yōu)化是一門平衡的藝術(shù)，它往往要以犧牲程序的可讀性或者增加代碼長度為代價(jià)。

(任何情況下，空間優(yōu)化和時(shí)間優(yōu)化都是對(duì)立的--東樓)。

往期精彩

編程修養(yǎng)(精品文,建議認(rèn)真品讀并實(shí)踐)

成功軟件開發(fā)者的9種編程習(xí)慣

嵌入式系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)(長篇深度好文)

為Linux應(yīng)用構(gòu)造有限狀態(tài)機(jī)

若覺得本次分享的文章對(duì)您有幫助，隨手點(diǎn)[在看]并轉(zhuǎn)發(fā)分享，也是對(duì)我的支持。