高效率C語言設計

這篇文章只著重在C語言反組譯後的效能，並不探討架構。這是個冷門知識，除了無線通訊的核心程式、高速介面的核心程式外，很少有人會在乎。探討這類的書也不多，通常也很古老，最慘的是部分守則在GCC的進步下，已經沒有用了。本篇文章就一一檢視這些守則。書本用的是"ARM System Developer's Guide - Designing and Optimizing System Software"

• 局部變數

• 過時守則 : 32bit CPU上，不要使用char當作區域變數，要改用unsigned int 

int checksum_v1 (int *data) {

        char i;

        int sum = 0;

        for (i=0; i<64; i++) {

                sum +=data[i];

        }   

        return sum;

}

int checksum_v2 (int *data) {

        unsigned int i;

        int sum = 0;

        for (i=0; i<64; i++) {

                sum +=data[i];

        }   

        return sum;

}

理由：

     register寬度為32bit。如果變數是char，編譯器反而要register跟 0xFF 做mask，這樣才能保證不會溢位。且unsigned可以熱

實驗結果: 

      checksum_v1()和checksum_v2() 並沒差，不需要改變。

• 守則 : 不能把 int加法的值存在short內，即便知道 short不會overflow

short checksum_v3 (int *data) {

        unsigned int i;

        short sum = 0;

        for (i=0; i<64; i++) {

                sum = (short) ( sum +data[i]);

        }   

        return sum;

}

short checksum_v4 (short *data) {

        unsigned int i;

        int sum = 0;

        for (i=0; i <64; i++) {

                sum += *(data ++);

        }

        return (short) sum;

}

理由 :

    compiler會多花幾個arm 指令把值塞入 short內

實驗結果: 

     在checksum_v3() 的迴圈內會多花一個指令 (uxth - zero extend halfword. Extend 16-bit value to 32-bit value)去把short先變成 int。離開迴圈後，再用另一個指令 (sxth - sign extend halfword) 去把 int變為short。

• 守則 : 使用除法時，盡量使用無符號數

int average_v1 ( int a, int b) {

        return (a+b) /2; 

}

理由: 

    對負數除二時，需要先加一然後再往右shift一位。ex:  -3/2 = -1 然而 -3 >> 1 = -2，所以需要先加一然後再移位。

實驗結果:

     依然有效

• C迴圈結構

• 過時守則 : For Loop內要使用index時，要用遞減方式

int checksum_v5 (int *data) {

        unsigned int i;

        int sum = 0;

        for ( i = 0; i< 64;i++) {

                sum += *(data++);

        }   

        return sum;

}

int checksum_v6 (int *data) {

        unsigned int i;

        int sum = 0;

        for( i=64; i!=0; i--) {

                sum+=*(data++);

        }   

        return sum;

}

理由 : 

    當時的GCC會多花一個指令處理遞增For Loop的index 。

實驗結果 :

    不需使用遞減方式，現在的GCC已經最佳化了，不需要考慮這個。

• 守則 : 使用 do {} while ()替代 for loop

int checksum_v7 (int *data, unsigned int N) {

        int sum;

        for(; N!=0; N--) {

                sum += *(data++);

        }

        return sum;

}

int checksum_v8 (int *data, unsigned int N) {

        int sum;

        do {

                sum += *(data++);

        } while( --N !=0);

        return sum;

}

理由 : 

    For Loop在第一次迴圈時，會檢查index N是否為 0，但是通常N 不為 0，所以會多花一個arm 指令。 

實驗結果 :

    仍然有效

• 迴圈展開

• 守則 : 把迴圈內的內容展開，如此可以減少判斷終止的次數

int checksum_v9 (int *data, unsigned int N ) { 

    int sum = 0;

    do {

        sum += *(data++);

        sum += *(data++);

        sum += *(data++);

        sum += *(data++);

        N -= 4;

    } while (N != 0); 

    return sum;

}

理由 :

     當迴圈的指令數很少時，判斷中止條件的指令就佔很大的比例。將迴圈的內容展開，可以稀釋中止條件所佔的比例。

實驗結果 :

    仍然有效