如何 optimization C語言代碼

本文章包含兩部份
1)如何 optimization C語言代碼
2)C語言的幾道問題

1、選擇合適的演算法和資料結構
應該熟悉演算法語言，知道各種演算法的優缺點，具體資料請參見相應的參考資料，有很多計算機書籍上都有介紹。將比較慢的順序查找法用較快的二分查找或亂序查找法代替，插入排序或冒泡排序法用快速排序、合並排序或根排序代替，都可以大大提高程序執行的效率。.選擇一種合適的資料結構也很重要，比如你在一堆隨機存放的數據中使用了大量的插入和刪除指令，那使用Link List鏈表要快得多。Array與pointer語句具有十分密碼的關系，一般來說，pointer比較靈活簡潔，而Array則比較直觀，容易理解。對於大部分的編譯器，使用pointer比使用Array生成的代碼更短，執行效率更高。但是在Keil中則相反，使用Array比使用的pointer生成的代碼更短。。

2、使用盡量小的數據類型
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)，能不使用浮點型(float)變量就不要使用浮點型變量。當然，在定義變量後不要超過變量的作用範圍，如果超過變量的範圍賦值，C編譯器並不報錯，但程序運行結果卻錯了，而且這樣的錯誤很難發現。
在ICCAVR中，可以在Options中設定使用printf參數，盡量使用基本型參數(%c、%d、%x、%X、%u和%s格式說明符)，少用長整型參數(%ld、%lu、%lx和%lX格式說明符)，至於浮點型的參數(%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，會使生成的代碼的數量增加很多，執行速度降低。

3、使用自加、自減指令
通常使用自加、自減指令和復合賦值表達式(如a-=1及a+=1等)都能夠生成高質量的程序代碼，編譯器通常都能夠生成inc和dec之類的指令，而使用a=a+1或a=a-1之類的指令，有很多C編譯器都會生成二到三個字節的指令。在AVR單片適用的ICCAVR、GCCAVR、IAR等C編譯器以上幾種書寫方式生成的代碼是一樣的，也能夠生成高質量的inc和dec之類的的代碼。

4、減少運算的強度
可以使用運算量小但功能相同的表達式替換原來復雜的的表達式。如下：
(1)、求餘數運算。
a=a%8;
可以改為：
a=a&7;
說明：位操作只需一個指令周期即可完成，而大部分的C編譯器的“%”運算均是call子程序來完成，代碼長、執行速度慢。通常，只要求是求2n方的余數，均可使用位操作的方法來代替。

(2)、平方運算
a=pow(a,2.0);
可以改為：
a=a*a;
說明：在有內置硬件乘法器的單片機中(如51系列)，乘法運算比求平方運算快得多，因為浮點數的求平方是通過call子程序來實現的，在自帶硬件乘法器的AVR單片機中，如ATMega163中，乘法運算只需2個時鐘周期就可以完成。既使是在沒有內置硬件乘法器的AVR單片機中，乘法運算的子程序比平方運算的子程序代碼短，執行速度快。
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。

(3)、用移位實現乘除法運算
a=a*4;
b=b/4;
可以改為：
a=a<<2;
b=b>>2;
說明：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，而乘以其它的整數或除以任何數，均call乘除法子程序。用移位的方法得到代碼比call乘除法子程序生成的代碼效率高。實際上，只要是乘以或除以一個整數，均可以用移位的方法得到結果，如：
a=a*9
可以改為：
a=(a<<3)+a

5、循環
(1)、循環語
對於一些不需要循環變量參加運算的任務可以把它們放到循環外面，這裏的任務包括表達式、函數的call、pointer運算、Array訪問等，應該將沒有必要執行多次的操作全部集合在一起，放到一個init的初始化程序中進行。

(2)、delay函數：
通常使用的delay函數均采用自加的形式：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=0;i<1000;i++)
;
}
將其改為自減delay函數：
void delay (void)
{
unsigned int i;
for (i=1000;i>0;i--)
;
}
兩個函數的delay效果相似，但幾乎所有的C編譯對後一種函數生成的代碼均比前一種代碼少1~3個字節，因為幾乎所有的MCU均有為0轉移的指令，采用後一種方式能夠生成這類指令。
在使用while循環時也一樣，使用自減指令控制循環會比使用自加指令控制循環生成的代碼更少1~3個字母。但是在循環中有通過循環變量“i”讀寫Array的指令時，使用預減循環時有可能使Array超界，要引起注意。

(3)while循環和do…while循環
用while循環時有以下兩種循環形式：
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);
在這兩種循環中，使用do…while循環編譯後生成的代碼的長度短於while循環。

6、查表
在程序中一般不進行非常復雜的運算，如浮點數的乘除及開方等，以及一些復雜的數學模型的插補運算，對這些即消耗時間又消費資源的運算，應盡量使用查表的方式，並且將數據表置於程序存儲區。如果直接生成所需的表比較困難，也盡量在啟了，減少了程序執行過程中重復計算的工作量。

7、其它
比如使用inline及將字符串和一些常量保存在程序存儲器中，均有利於優化

C語言的幾道問題

Preprocessor
Q1 : 用預處理指令#define 聲明一個常數，用以表明1年中有多少秒（忽略閏年問題）
ANS: #define SECONDS_PER_YEAR (60 * 60 * 24 * 365)UL

測試目的：
1) #define 語法的基本知識（例如：不能以分號結束，括號的使用，等等）
2)懂得預處理器將為你計算常數表達式的值，因此，直接寫出你是如何計算一年中有多少秒而不是計算出實際的值，是更清晰而沒有代價的。
3) 意識到這個表達式將使一個16位機的整型數溢出-因此要用到長整型符號L,告訴編譯器這個常數是的長整型數。
4) 如果你在你的表達式中用到UL（表示無符號長整型），那麽你有了一個好的起點。記住，第一印象很重要。

Q2 : 寫一個"標準"macro MIN ，這個macro輸入兩個參數並返回較小的一個。
ANS: #define MIN(A,B) （（A） <= (B) ? (A) : (B))

測試目的：
1) 標識#define在macro中應用的基本知識。這是很重要的。因為在inline操作符 變為標準C的一部分之前，macro是方便產生嵌入代碼的唯一方法，對於嵌入式系統來說，為了能達到要求的性能，嵌入代碼經常是必須的方法。
2)三重條件操作符的知識。這個操作符存在C語言中的原因是它使得編譯器能產生比if-then-else更優化的代碼，了解這個用法是很重要的。
3) 懂得在macro中小心地把參數用括號括起來
4) 我也用這個問題開始討論macro的副作用，例如：當你寫下面的代碼時會發生什麽事？
least = MIN(*p++, b);

Q3. 預處理器標識#error的目的是什麽？
如果你不知道答案，請看參考文獻1。

ANS:
 #error      停止編譯並顯示錯誤資訊。
編譯程序時，只要遇到 #error 就會跳出一個編譯錯誤，既然是編譯錯誤，要它幹嘛呢？其目的就是保證程式是按照你所設想的那樣進行編譯的。下面舉個例子：程式中往往有很多的預處理指令#ifdef XXX...#else#endif當程式比較大時，往往有些巨集定義是在外部指定的（如makefile），或是在系統頭檔中指定的，當你不太確定當前是否定義了 XXX 時，就可以改成如下這樣進行編譯：#ifdef XXX...#error "XXX has been defined"#else#endif這樣,如果編譯時出現錯誤,輸出了XXX has been defined,表明宏XXX已經被定義了。用處就是這樣,是不是感覺很沒有用處? 

infinite loops
Q4. 嵌入式系統中經常要用到無限循環，你怎麽樣用C編寫infinite loops呢？
這個問題用幾個解決方案。我首選的方案是：
ANS:
while(1)
{

}

一些程序員更喜歡如下方案：

for(;;)
{

}

這個實現方式讓我為難，因為這個語法沒有確切表達到底怎麽回事。如果一個應試者給出這個作為方案，我將用這個作為一個機會去探究他們這樣做的基本原理。如果他們的基本答案是："我被教著這樣做，但從沒有想到過為什麽。"這會給我留下一個壞印象。

第三個方案是用 goto
Loop:
...
goto Loop;
應試者如給出上面的方案，這說明或者他是一個匯編語言程序員（這也許是好事）或者他是一個想進入新領域的BASIC/FORTRAN程序員。


Data declarations 
Q5. 用變量a給出下面的定義
a) 一個整型數（An integer）
b)一個指向整型數的指針（ A pointer to an integer）
c)一個指向指針的的指針，它指向的指針是指向一個整型數（ A pointer to a pointer to an intege）r
d)一個有10個整型數的數組（ An array of 10 integers）
e) 一個有10個指針的數組，該指針是指向一個整型數的。（An array of 10 pointers to integers）
f) 一個指向有10個整型數數組的指針（ A pointer to an array of 10 integers）
g) 一個指向函數的指針，該函數有一個整型參數並返回一個整型數（A pointer to a function that takes an integer as an argument and returns an integer）
h) 一個有10個指針的數組，該指針指向一個函數，該函數有一個整型參數並返回一個整型數（ An array of ten pointers to functions that take an integer argument and return an integer ）

ANS：
a) int a; // An integer
b) int *a; // A pointer to an integer
c) int **a; // A pointer to a pointer to an integer
d) int a[10]; // An array of 10 integers
e) int *a[10]; // An array of 10 pointers to integers
f) int (*a)[10]; // A pointer to an array of 10 integers
g) int (*a)(int); // A pointer to a function a that takes an integer argument and returns an integer
h) int (*a[10])(int); // An array of 10 pointers to functions that take an integer argument and return an integer

人們經常聲稱這裏有幾個問題是那種要翻一下書才能回答的問題，我同意這種說法。當我寫這篇文章時，為了確定語法的正確性，我的確查了一下書。但是當我被面試的時候，我期望被問到這個問題（或者相近的問題）。因為在被面試的這段時間裏，我確定我知道這個問題的答案。應試者如果不知道所有的答案（或至少大部分答案），那麽也就沒有為這次面試做準備，如果該面試者沒有為這次面試做準備，那麽他又能為什麽出準備呢？

Static 
Q6. 關鍵字static的作用是什麽？
這個簡單的問題很少有人能回答完全。在C語言中，關鍵字static有三個明顯的作用：
ANS: 1)在函數體，一個被聲明為靜態的變量在這一函數被調用過程中維持其值不變。
2) 在模塊內（但在函數體外），一個被聲明為靜態的變量可以被模塊內所用函數訪問，但不能被模塊外其它函數訪問。它是一個本地的全局變量。
3) 在模塊內，一個被聲明為靜態的函數只可被這一模塊內的其它函數調用。那就是，這個函數被限制在聲明它的模塊的本地範圍內使用。

大多數應試者能正確回答第一部分，一部分能正確回答第二部分，同是很少的人能懂得第三部分。這是一個應試者的嚴重的缺點，因為他顯然不懂得本地化數據和代碼範圍的好處和重要性。

Const 
Q7．關鍵字const有什麽含意？
我只要一聽到被面試者說："const意味著常數"，我就知道我正在和一個業余者打交道。去年Dan Saks已經在他的文章裏完全概括了const的所有用法，因此ESP(譯者：Embedded Systems Programming)的每一位讀者應該非常熟悉const能做什麽和不能做什麽.如果你從沒有讀到那篇文章，只要能說出const意味著"只讀"就可以了。盡管這個答案不是完全的答案，但我接受它作為一個正確的答案。（如果你想知道更詳細的答案，仔細讀一下Saks的文章吧。）
如果應試者能正確回答這個問題，我將問他一個附加的問題：
下面的聲明都是什麽意思？

const int a;
int const a;
const int *a;
int * const a;
int const * a const;

ANS:
前兩個的作用是一樣，a是一個常整型數。第三個意味著a是一個指向常整型數的指針（也就是，整型數是不可修改的，但指針可以）。第四個意思a是一個指向整型數的常指針（也就是說，指針指向的整型數是可以修改的，但指針是不可修改的）。最後一個意味著a是一個指向常整型數的常指針（也就是說，指針指向的整型數是不可修改的，同時指針也是不可修改的）。如果應試者能正確回答這些問題，那麽他就給我留下了一個好印象。順帶提一句，也許你可能會問，即使不用關鍵字 const，也還是能很容易寫出功能正確的程序，那麽我為什麽還要如此看重關鍵字const呢？我也如下的幾下理由：
1) 關鍵字const的作用是為給讀你代碼的人傳達非常有用的信息，實際上，聲明一個參數為常量是為了告訴了用戶這個參數的應用目的。如果你曾花很多時間清理其它人留下的垃圾，你就會很快學會感謝這點多余的信息。（當然，懂得用const的程序員很少會留下的垃圾讓別人來清理的。）
2) 通過給優化器一些附加的信息，使用關鍵字const也許能產生更緊湊的代碼。
3) 合理地使用關鍵字const可以使編譯器很自然地保護那些不希望被改變的參數，防止其被無意的代碼修改。簡而言之，這樣可以減少bug的出現。

Volatile 
Q8. 關鍵字volatile有什麽含意?並給出三個不同的例子。
ANS : 一個定義為volatile的變量是說這變量可能會被意想不到地改變(改變它可以是hardware 暫存器，Interrupt Service Routine，Multi-thread Share memory)，這樣，編譯器就不會去假設這個變量的值了。精確地說就是，優化器在用到這個變量時必須每次都小心地重新讀取這個變量的值，而不是使用保存在寄存器裏的備份。下面是volatile變量的幾個例子：
1) 周邊設備的硬體暫存器（如：狀態暫存器）。
2) 一個中斷服務子程序中會訪問到的非自動變量(Interrupt Service Routine, Non-automatic variables)。
3) 多線程應用中被幾個任務共享的變量(Multi-thread Share memory)。

回答不出這個問題的人是不會被雇傭的。我認為這是區分C程序員和嵌入式系統程序員的最基本的問題。搞嵌入式的家夥們經常同硬體、中斷、RTOS等等打交道，所有這些都要求用到volatile變量。不懂得volatile的內容將會帶來災難。
假設被面試者正確地回答了這是問題（嗯，懷疑是否會是這樣），我將稍微深究一下，看一下這家夥是不是直正懂得volatile完全的重要性。
1)一個參數既可以是const還可以是volatile嗎？解釋為什麽。
2); 一個pointer可以是volatile 嗎？解釋為什麽。
3); 下面的函數有什麽錯誤：

int square(volatile int *ptr)
{
return *ptr * *ptr;
}

下面是答案：
1)是的。一個例子是只讀的狀態寄存器。它是volatile因為它可能被意想不到地改變(by hardward)。(它是const因為程序不應該試圖去修改它。且有些暫存器是 "read only" )
2); 是的。盡管這並不很常見。一個例子是當一個中斷服務副程式修改一個指向一個buffer的pointer時。
3) 這段代碼有點變態。這段代碼的目的是用來回傳(return) "pointer" *ptr指向值的平方，但是，由於*ptr指向一個volatile型參數，編譯器將產生類似下面的代碼：

int square(volatile int *ptr)
{
int a,b;
a = *ptr;
b = *ptr;
return a * b;
}

由於*ptr的值可能被意想不到地該變，因此a和b可能是不同的。結果，這段代碼可能回傳(return)不是你所期望的平方值！正確的代碼如下：

long square(volatile int *ptr)
{
int a;
a = *ptr;
return a * a;
}

位操作（Bit manipulation）
Q9. 嵌入式系統總是要用戶對變量或寄存器進行位操作。給定一個整型變量a，寫兩段代碼，第一個設置a的bit 3，第二個清除a 的bit 3。在以上兩個操作中，要保持其它位不變。
ANS:
對這個問題有三種基本的反應
1)不知道如何下手。該被面者從沒做過任何嵌入式系統的工作。
2) 用bit fields。Bit fields是被扔到C語言死角的東西，它保證你的代碼在不同編譯器之間是不可移植的，同時也保證了的你的代碼是不可重用的。我最近不幸看到 Infineon為其較復雜的通信芯片寫的驅動程序，它用到了bit fields因此完全對我無用，因為我的編譯器用其它的方式來實現bit fields的。從道德講：永遠不要讓一個非嵌入式的家夥粘實際硬件的邊。
3) 用 #defines 和 bit masks 操作。這是一個有極高可移植性的方法，是應該被用到的方法。最佳的解決方案如下：

#define BIT3 (0x1 << 3)
static int a;

void set_bit3(void)
{
a |= BIT3;
}
void clear_bit3(void)
{
a &= ~BIT3;
}

一些人喜歡為設置和清除值而定義一個掩碼同時定義一些說明常數，這也是可以接受的。我希望看到幾個要點：說明常數、|=和&=~操作。


Accessing fixed memory locations
Q10. 嵌入式系統經常具有要求程序員去訪問某特定的內存位置的特點。在某工程中，要求設置一絕對地址為0x67a9的整型變量的值為0xaa55。編譯器是一個純粹的ANSI編譯器。寫代碼去完成這一任務。
ANS: 這一問題測試你是否知道為了訪問一絕對地址把一個整型數強制轉換（typecast）為一指針是合法的。這一問題的實現方式隨著個人風格不同而不同。典型的類似代碼如下：
int *ptr;
ptr = (int *)0x67a9;
*ptr = 0xaa55;

A more obscure approach is:
一個較晦澀的方法是：

*(int * const)(0x67a9) = 0xaa55;

即使你的品味更接近第二種方案，但我建議你在面試時使用第一種方案。


Interrupts
Q11. 中斷是嵌入式系統中重要的組成部分，這導致了很多編譯開發商提供一種擴展—讓標準C支持中斷。具代表事實是，產生了一個新的關鍵字 __interrupt。下面的代碼就使用了__interrupt關鍵字去定義了一個中斷服務子程序(ISR)，請評論一下這段代碼的。
__interrupt double compute_area (double radius)
{
double area = PI * radius * radius;
printf("nArea = %f", area);
return area;
}
ANS:
這個函數有太多的錯誤了，以至讓人不知從何說起了：
1)ISR 不能返回一個值。如果你不懂這個，那麽你不會被雇用的。
2) ISR 不能傳遞參數。如果你沒有看到這一點，你被雇用的機會等同第一項。
3) 在許多的處理器/編譯器中，浮點一般都是不可重入的。有些處理器/編譯器需要讓額處的寄存器入棧，有些處理器/編譯器就是不允許在ISR中做浮點運算。此外，ISR應該是短而有效率的，在ISR中做浮點運算是不明智的。
4) 與第三點一脈相承，printf()經常有重入和性能上的問題。如果你丟掉了第三和第四點，我不會太為難你的。不用說，如果你能得到後兩點，那麽你的被雇用前景越來越光明了。


Code examples
Q12 . 下面的代碼輸出是什麽，為什麽？
void foo(void)
{
unsigned int a = 6;
int b = -20;
(a+b > 6) ? puts("> 6") : puts("<= 6");
}
ANS:
這個問題測試你是否懂得C語言中的整數自動轉換原則，我發現有些開發者懂得極少這些東西。不管如何，這無符號整型問題的答案是輸出是 ">6"。原因是當表達式中存在有符號類型和無符號類型時所有的操作數都自動轉換為無符號類型。因此-20變成了一個非常大的正整數，所以該表達式計算出的結果大於6。這一點對於應當頻繁用到無符號數據類型的嵌入式系統來說是豐常重要的。如果你答錯了這個問題，你也就到了得不到這份工作的邊緣。

Q13. 評價下面的代碼片斷：
unsigned int zero = 0;
unsigned int compzero = 0xFFFF;
/*1's complement of zero */
ANS:
對於一個int型不是16位的處理器為說，上面的代碼是不正確的。應編寫如下：

unsigned int compzero = ~0;

這一問題真正能揭露出應試者是否懂得處理器字長的重要性。在我的經驗裏，好的嵌入式程序員非常準確地明白硬件的細節和它的局限，然而PC機程序往往把硬件作為一個無法避免的煩惱。
到了這個階段，應試者或者完全垂頭喪氣了或者信心滿滿誌在必得。如果顯然應試者不是很好，那麽這個測試就在這裏結束了。但如果顯然應試者做得不錯，那麽我就扔出下面的追加問題，這些問題是比較難的，我想僅僅非常優秀的應試者能做得不錯。提出這些問題，我希望更多看到應試者應付問題的方法，而不是答案。不管如何，你就當是這個娛樂吧...


Dynamic memory allocation
Q14. 盡管不像非嵌入式計算機那麽常見，嵌入式系統還是有從堆（heap）中動態分配內存的過程的。那麽嵌入式系統中，動態分配內存可能發生的問題是什麽？
這裏，我期望應試者能提到內存碎片，碎片收集的問題，變量的持行時間等等。這個主題已經在ESP雜誌中被廣泛地討論過了（主要是 P.J. Plauger, 他的解釋遠遠超過我這裏能提到的任何解釋），所有回過頭看一下這些雜誌吧！讓應試者進入一種虛假的安全感覺後，我拿出這麽一個小節目：
下面的代碼片段的輸出是什麽，為什麽？
char *ptr;
if ((ptr = (char *)malloc(0)) == NULL)
puts("Got a null pointer");
else
puts("Got a valid pointer");
ANS:
這是一個有趣的問題。最近在我的一個同事不經意把0值傳給了函數malloc，得到了一個合法的指針之後，我才想到這個問題。這就是上面的代碼，該代碼的輸出是"Got a valid pointer"。我用這個來開始討論這樣的一問題，看看被面試者是否想到庫例程這樣做是正確。得到正確的答案固然重要，但解決問題的方法和你做決定的基本原理更重要些。

Typedef 
Q15 Typedef 在C語言中頻繁用以聲明一個已經存在的數據類型的同義字。也可以用預處理器做類似的事。例如，思考一下下面的例子：

#define dPS struct s *
typedef struct s * tPS;
ANS:
以上兩種情況的意圖都是要定義dPS 和 tPS 作為一個指向結構s指針。哪種方法更好呢？（如果有的話）為什麽？
這是一個非常微妙的問題，任何人答對這個問題（正當的原因）是應當被恭喜的。答案是：typedef更好。思考下面的例子：

dPS p1,p2;
tPS p3,p4;

第一個擴展為

struct s * p1, p2;
.
上面的代碼定義p1為一個指向結構的指，p2為一個實際的結構，這也許不是你想要的。第二個例子正確地定義了p3 和p4 兩個指針。

A more obscure approach (晦澀的語法)
Q16 . C語言同意一些令人震驚的結構,下面的結構是合法的嗎，如果是它做些什麽？

int a = 5, b = 7, c;
c = a+++b;
ANS:
這個問題將做為這個測驗的一個愉快的結尾。不管你相不相信，上面的例子是完全合乎語法的。問題是編譯器如何處理它？水平不高的編譯作者實際上會爭論這個問題，根據最處理原則，編譯器應當能處理盡可能所有合法的用法。因此，上面的代碼被處理成：

c = a++ + b;

因此, 這段代碼持行後a = 6, b = 7, c = 12。
如果你知道答案，或猜出正確答案，做得好。如果你不知道答案，我也不把這個當作問題。我發現這個問題的最大好處是這是一個關於代碼編寫風格，代碼的可讀性，代碼的可修改性的好的話題。
如果是認為這是一個好的測試，那麽盡量都用到你的找工作的過程中去吧。

作者介紹:
Nigel Jones 是一個顧問，現在住在Maryland，當他不在水下時，你能在多個範圍的嵌入項目中找到他。 他很高興能收到讀者的來信，他的email地址是: NAJones@compuserve.com
參考文獻
1) Jones, Nigel, "In Praise of the #error directive," Embedded Systems Programming, September 1999, p. 114.
2) Jones, Nigel, " Efficient C Code for Eight-bit MCUs ," Embedded Systems Programming, November 1998, p. 66.