高效的C編程之：C循環(huán)結(jié)構(gòu)

循環(huán)體是程序設計與優(yōu)化的重點考慮對象。本節(jié)將著重講解在ARM上處理for和while循環(huán)最有效的方法。

首先來看下面的例子，兩個不同的循環(huán)退出條件，產(chǎn)生的不同匯編代碼。

C源程序如下所示。

intfact1(intn)

{

inti,fact=1;

for(i=1;i<=n;i++)

fact*=i;

return(fact);

}

intfact2(intn)

{

inti,fact=1;

for(i=n;i!=0;i--)

fact*=i;

return(fact);

}

產(chǎn)生的匯編代碼如下所示。

fact1

MOVa3,#1

MOVa2,#1

CMPa1,#1

BLT|L000020.J5.fact1|

|L000010.J4.fact1|

MULa3,a2,a3

ADDa2,a2,#1

CMPa2,a1

BLE|L000010.J4.fact1|

|L000020.J5.fact1|

MOVa1,a3

MOVpc,lr

fact2

MOVSa2,a1

MOVa1,#1

MOVEQpc,lr

|L000034.J4.fact2|

MULa1,a2,a1

SUBSa2,a2,#1

BNE|L000034.J4.fact2|

MOVpc,lr

從產(chǎn)生的匯編代碼中，可以看出兩個函數(shù)雖然實現(xiàn)的功能相同，但產(chǎn)生的代碼效率卻不盡相同。這里的關(guān)鍵是，循環(huán)的中止條件應為計數(shù)減到零（countdowntozero），而不是計數(shù)增加到某個值。由于減計數(shù)結(jié)果已存儲在條件標志里，與零比較的指令就可以省略。同時也可以少用一個寄存器來存儲循環(huán)中止值。

注意

上面的例子使用了-O2–Otime的編譯選項，如果使用-Ospace選項，編譯結(jié)果會有不同。

對循環(huán)計數(shù)值i來說，如果i是無符號的，則循環(huán)繼續(xù)的條件既可以是i！=0，也可以是i>0。由于i不可能是負數(shù)，所以這兩個條件是等價的。而對一個有符號的循環(huán)計數(shù)值來說，最好不要用條件i>0作為循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行的條件。如果使用i>0作為循環(huán)繼續(xù)執(zhí)行的條件，編譯器將生成下面的代碼。

SUBa2,a2,#1

CMPr1,＃0

BGT|L000034.J4.fact2|

這時，編譯器多增加了一條CMP指令，主要是為了防止有符號數(shù)i=−0x8000000。總之，無論對于有符號還是無符號的循環(huán)計數(shù)值，都應該使用i!=0作為循環(huán)的結(jié)束條件。對于有符號數(shù)i，這比使用i>0少了一條指令。

在14.5.1節(jié)中可以發(fā)現(xiàn)，每次循環(huán)需要在循環(huán)體外加兩條指令：一條減法指令來減少循環(huán)計數(shù)值和一條條件分支指令。通常這些指令稱為循環(huán)開銷（LoopOverhead）。在ARM7或ARM9處理器上，加法指令需要1個周期，條件分支指令需要3個周期，這樣每個循環(huán)就需要4個周期的開銷。

可以通過展開循環(huán)體（LoopUnrolling），即重復循環(huán)主體多次，同時按同樣的比例減少循環(huán)次數(shù)來降低循環(huán)開銷。

下面的例子通過將循環(huán)體展開4次，來達到減少循環(huán)開銷的目的。

intcountbit1(uintn)

{intbits=0;

while(n!=0)

{

if(n&1)bits++;

n>>=1;

}

returnbits;

}

將循環(huán)主體展開。

intcountbit2(uintn)

{intbits=0;

while(n!=0)

{

if(n&1)bits++;

if(n&2)bits++;

if(n&4)bits++;

if(n&8)bits++;

n>>=4;

}

returnbits;

}

這里減少了4N的循環(huán)開銷（N=4，即循環(huán)體執(zhí)行的次數(shù)）。如果循環(huán)體中存在耗時的Store/Load指令，則代碼執(zhí)行效率的提高將更明顯。

ARM編譯器不會自動將循環(huán)體展開，只有用戶自己判斷何時將循環(huán)體展開，到底應該展開多少次，如果循環(huán)的次數(shù)不是循環(huán)展開的倍數(shù)該怎么辦？下面就將詳細討論，用戶編寫自己的循環(huán)展開程序時，需要注意的問題。

①只有當循環(huán)展開對提高應用程序的整體性能非常重要時，才進行循環(huán)展開；否則反而會增加代碼尺寸。

②應設法使循環(huán)的次數(shù)是循環(huán)展開的倍數(shù)。如果難以實現(xiàn)，那么就要增加額外的代碼來處理數(shù)組的剩余元素。這將增加少許代碼量，但可以保持較好的性能。