對嵌入式C語言優(yōu)化技巧詳細教學(xué)

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(shù)，但使用起來像函數(shù)。函數(shù)調(diào)用要使用系統(tǒng)的棧來保存數(shù)據(jù)，同時 CPU 在函數(shù)調(diào)用時需要保存和恢復(fù)當前的現(xiàn)場，進行進棧和出棧操作，所以函數(shù)調(diào)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(yù)先寫好的代碼嵌入到當前程序中，不產(chǎn)生函數(shù)調(diào)用，所占用的僅僅是一些空間，省去了參數(shù)壓棧，生成匯編語言的 call 調(diào)用，返回參數(shù)，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(shù)調(diào)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(shù)的功能相似。然而，第一個函數(shù)調(diào)用strlen函數(shù)多次，而第二個函數(shù)只調(diào)用函數(shù)strlen一次。因此第二個函數(shù)性能明顯比第一個好。

6、內(nèi)嵌匯編

程序中對時間要求苛刻的部分可以用內(nèi)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(fù)雜性：

（1） 在多重循環(huán)中，應(yīng)將最長的循環(huán)放在最內(nèi)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(shù)。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(chǎn)生if- else- if 嵌套代碼，并按照順序進行比較，發(fā)現(xiàn)匹配時，就跳轉(zhuǎn)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(shù)，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(zhuǎn)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(nèi)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(nèi)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(shè)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(shù)非常大。這個龐大的代碼中有很大一部分用于處理浮點數(shù)，如果程序中不需要格式化浮點數(shù)值（ 如%f），程序設(shè)計人員就可以根據(jù)實際情況用少量的代碼實現(xiàn)這個功能。

10、采用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化程序

數(shù)學(xué)是計算機之母，沒有數(shù)學(xué)的依據(jù)和基礎(chǔ)，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(shù)學(xué)方法會對程序的執(zhí)行效率有數(shù)量級的提高。有時候這個問題常常被大家忽略， 對于沒有經(jīng)驗的程序員來說更是如此。例如：求 1~100 的和：

sum = 100*（100+1）/2;數(shù)學(xué)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(shù)據(jù)的位是可以操作的最小數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(yīng)分析哪個更重要， 做出適當?shù)恼壑?。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(chǎn)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(shù)以及堆棧等都使用有限的內(nèi)存：全局變量在整個程序范圍內(nèi)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(shù)執(zhí)行完后會釋放。因此， 在程序中應(yīng)盡量使用局部變量，提高內(nèi)存使用效率。程序中堆的大小受限于所有全局數(shù)據(jù)和棧空間都分配后的剩余量，如果堆太小，程序不能夠在需要的時候分配內(nèi)存。因此在使用 malloc 函數(shù)申請內(nèi)存之后一定要用 free 函數(shù)進行釋放， 防止內(nèi)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(zhuǎn)，比while （1）好。

13、使用Memoization，以避免遞歸重復(fù)計算

考慮Fibonacci（斐波那契）問題，F(xiàn)ibonacci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(shù)2次，fib（2）函數(shù)3次。這是相同函數(shù)的重復(fù)計算。如果n非常大，fib函數(shù)的效率會比較低。Memoization是一個簡單的技術(shù)，可以被用在遞歸，加強計算速度。fibonacci 函數(shù)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(shè)備自身的特點來減小其運轉(zhuǎn)開銷，例如減小中斷次數(shù)，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(zhì)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。
編輯：lyn