在程序設計中代碼優(yōu)化的一些小技巧

嵌入式系統(tǒng)是指完成一種或幾種特定功能的計算機系統(tǒng)，具有自動化程度高，響應速度快等優(yōu)點，目前已廣泛應用于消費電子，工業(yè)控制等領域。嵌入式系統(tǒng)受其使用的硬件以及運行環(huán)境的限制，非常注重代碼的時間和空間效率，因此選擇一種合適的開發(fā)語言十分重要。

目前，在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中可使用的語言很多，其中 C語言應用得最廣泛。雖然用 C 語言編程具有許多優(yōu)點，但基于嵌入式系統(tǒng)的C語言和標準 C語言又有很大區(qū)別。接下來小編結合嵌入式系統(tǒng)的特點和高手們的一些積累，給大家整理出在程序設計中代碼優(yōu)化的一些小技巧。 1、嵌入式C語言的特點

作為一種結構化程序設計語言，C 語言兼顧多種高級語言的特點，具有很強的功能性和可移植性。但在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，出于對低價產品的需求，系統(tǒng)的計算能力和存儲容量都非常有限，因此如何利用好這些資源就顯得十分重要。開發(fā)人員應注意嵌入式 C語言和標準 C 語言的區(qū)別，減少生成代碼長度，提高程序執(zhí)行效率，在程序設計中對代碼進行優(yōu)化。 2、C代碼在程序中的優(yōu)化

現在的 C 編譯器會自動對代碼進行優(yōu)化，但這些優(yōu)化是對執(zhí)行速度和代碼長度的平衡。如果要獲得更小且執(zhí)行效率更高的代碼，需要程序員手工對代碼進行優(yōu)化。 3、變量類型的定義

不同的數據類型所生成的機器代碼長度相差很多，變量類型選取的范圍越小運行速度越快，占用的內存越少。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。相同類型的數據類型，有無符號對機器代碼長度也有影響。因此我們應按照實際需要合理的選用數據類型。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。 4、算法優(yōu)化

算法優(yōu)化指對程序時空復雜度的優(yōu)化:在 PC 機上進行程序設計時一般不必過多關注程序代碼的長短，只需考慮功能的實現，但嵌入式系統(tǒng)就必須考慮系統(tǒng)的硬件資源，在程序設計時，應盡量采用生成代碼短的算法，在不影響程序功能實現的情況下優(yōu)化算法。 5、適當的使用宏

在C程序中使用宏代碼可以提高程序的執(zhí)行效率。宏代碼本身不是函數，但使用起來像函數。函數調用要使用系統(tǒng)的棧來保存數據，同時 CPU 在函數調用時需要保存和恢復當前的現場，進行進棧和出棧操作，所以函數調用也需要 CPU時間。而宏定義就沒有這個問題:宏定義僅僅作為預先寫好的代碼嵌入到當前程序中，不產生函數調用，所占用的僅僅是一些空間，省去了參數壓棧，生成匯編語言的 call 調用，返回參數，執(zhí)行 return等過程，從而提高了程序的執(zhí)行速度。雖然宏破壞了程序的可讀性，使排錯更加麻煩，但對于嵌入式系統(tǒng)，為了達到要求的性能，嵌入代碼常常是必須的做法。
此外，我們還要避免不必要的函數調用，請看下面的代碼:

[plain] view plain copy print?void str_print( char *str ){int i;for ( i = 0; i < strlen ( str ); i++ ){ printf("%c"，str[ i ] ); } }void str_print1 ( char *str ){int len;len = strlen ( str );for ( i = 0; i < len; i++ ){printf("%c"，str[ i ] );}}? 請注意，這兩個函數的功能相似。然而，第一個函數調用strlen函數多次，而第二個函數只調用函數strlen一次。因此第二個函數性能明顯比第一個好。

6、內嵌匯編

程序中對時間要求苛刻的部分可以用內嵌匯編來重寫，以帶來速度上的顯著提高。但是，開發(fā)和測試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費更長的時間，因而要慎重選擇要用匯編的部分。在程序中，存在一個80-20原則，即20%的程序消耗了80%的運行時間，因而我們要改進效率，最主要是考慮改進那20%的代碼。 7、提高循環(huán)語言的效率

在 C 語言中循環(huán)語句使用頻繁，提高循環(huán)體效率的基本辦法就是降低循環(huán)體的復雜性:
(1) 在多重循環(huán)中，應將最長的循環(huán)放在最內層，最短的循環(huán)放在最外層。這樣可以減少 CPU跨切循環(huán)的次數。如例 1-1 的效率比 1-2 的效率要低:

[plain] view plain copy print?for (j = 0; j < 30; j++){for (i = 0; i < 10; i++){……}} // 例子 1-1 for (i = 0; i < 10; i++){for (j = 0; j < 30; j++) {……}} // 例子 2-2 程序部簡潔但效率高

8、提高 switch 語句的效率

switch 語句是 C 語言中常用的選擇語句， 在編譯時會產生if- else- if 嵌套代碼，并按照順序進行比較，發(fā)現匹配時，就跳轉到滿足條件的語句執(zhí)行。

當 switch 語句中的 case 標號很多時，為了減少比較的次數，可以把發(fā)生頻率相對高的條件放到第一位或者把整個 switch 語句轉化嵌套 switch 語句。把發(fā)生頻率高的 case 標號放在最外層的 switch 語句中，發(fā)生相對頻率相對低的 case 標號放在另外的 switch 語句中。如例 3 中，把發(fā)生率高的case 標號放在外層的 switch 語句中，把發(fā)生頻率低的放在缺省的(default)內層 switch 語句中。

[plain] view plain copy print? switch (表達式) { case 值1:語句1: break;case 值2：語句2：break; ……/*把發(fā)生頻率低的放在內層的switch語句中*/default:switch (表達式) {case 值n:語句n: break;case 值m:語句m: break;……}}例子3 使用嵌套switch語句提高程序執(zhí)行效率。9、避免使用標準庫

使用 C語言標準庫可以加快開發(fā)進度，但由于標準庫需要設法處理用戶所有可能遇到的情況，所以很多標準庫代碼很大。比如標準庫中的 sprintf函數非常大。這個龐大的代碼中有很大一部分用于處理浮點數，如果程序中不需要格式化浮點數值( 如%f)，程序設計人員就可以根據實際情況用少量的代碼實現這個功能。 10、采用數學方法優(yōu)化程序

數學是計算機之母，沒有數學的依據和基礎，就沒有計算機的發(fā)展，所以在編寫程序的時候，采用一些數學方法會對程序的執(zhí)行效率有數量級的提高。有時候這個問題常常被大家忽略， 對于沒有經驗的程序員來說更是如此。例如:求 1~100 的和:

sum = 100*(100+1)/2;數學公式：(a1 + an)*n/2

使用C語言的位操作可以減少除法和取模的運算。在計算機程序中數據的位是可以操作的最小數據單位，理論上可以用“位運算”來完成所有的運算和操作。因而，靈活的位操作可以有效地提高程序運行的效率。比如用用位操作區(qū)代替除法:比如:128 / 8 ->> 128 >> 3;

優(yōu)化算法和數據結構對提高代碼的效率有很大的幫助。當然有時候時間效率和空間效率是對立的，此時應分析哪個更重要， 做出適當的折中。另外，在進行優(yōu)化的時候不要片面的追求緊湊的代碼，因為緊湊的代碼并不能產生高效率的機器碼。 11、存儲器分配

由于成本限制，嵌入式系統(tǒng)存儲器容量有限。程序中所有的變量，包含的庫函數以及堆棧等都使用有限的內存:全局變量在整個程序范圍內都有效。程序執(zhí)行完后才會釋放;靜態(tài)變量的作用范圍也是整個程序，只有局部變量中的動態(tài)變量在函數執(zhí)行完后會釋放。因此， 在程序中應盡量使用局部變量，提高內存使用效率。程序中堆的大小受限于所有全局數據和?？臻g都分配后的剩余量，如果堆太小，程序不能夠在需要的時候分配內存。因此在使用 malloc 函數申請內存之后一定要用 free 函數進行釋放， 防止內存泄露。

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，1test eax，eaxje foo+23hjmp 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，比while (1)好。c

13、使用Memoization，以避免遞歸重復計算

考慮Fibonacci(斐波那契)問題，Fibonacci問題是可以通過簡單的遞歸方法來解決:

[plain] view plain copy print?int fib ( n ){if ( n == 0 || n == 1 ){return 1;}else{return fib( n - 2 ) + fib ( n - 1 );}} 注:在這里，我們考慮Fibonacci 系列從1開始，因此，該系列看起來:1，1，2，3，5，8，…

注意:從遞歸樹，我們計算fib(3)函數2次，fib(2)函數3次。這是相同函數的重復計算。如果n非常大，fib函數的效率會比較低。Memoization是一個簡單的技術，可以被用在遞歸，加強計算速度。fibonacci 函數Memoization的代碼如下:

[plain] view plain copy print?int calc_fib ( int n ){int val[ n ] ， i;for ( i = 0; i <=n; i++ ){val[ i ] = -1; // Value of the first n + 1 terms of the fibonacci terms set to -1}val[ 0 ] = 1; // Value of fib ( 0 ) is set to 1val[?1?]?=?1;?//?Value?of?fib?(?1?)?is?set?to?1return?fib(?n?，?val?);} int fib( int n ， int* value ){if ( value[ n ] != -1 ){return value[ n ]; // Using memoization}else{value[ n ] = fib( n - 2 ， value ) + fib ( n - 1 ， value ); // Computing the fibonacci term}return value[ n ]; // Returning the value}

除了編程上的技巧外，為提高系統(tǒng)的運行效率，我們通常也需要最大可能地利用各種硬件設備自身的特點來減小其運轉開銷，例如減小中斷次數，利用DMA傳輸方式等。

對于嵌入式系統(tǒng)，Ｃ語言在開發(fā)速度，軟件可靠性以及軟件質量等方面都有著明顯的優(yōu)勢。本文就嵌入式Ｃ語言在系統(tǒng)開發(fā)中，如何更好的利用系統(tǒng)資源，對代碼進行優(yōu)化進行了討論。當然代碼優(yōu)化的方法還有很多，這里只是寫出了一部分，希望能為開發(fā)人員提供一些幫助，也歡迎大家留言交流。

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