嵌入式系統(tǒng)C語(yǔ)言的特點(diǎn)及程序設(shè)計(jì)中代碼優(yōu)化的技巧

嵌入式系統(tǒng)是指完成一種或幾種特定功能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，具有自動(dòng)化程度高，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子，工業(yè)控制等領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)受其使用的硬件以及運(yùn)行環(huán)境的限制，非常注重代碼的時(shí)間和空間效率，因此選擇一種合適的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言十分重要。

目前，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中可使用的語(yǔ)言很多，其中 C語(yǔ)言應(yīng)用得最廣泛。雖然用 C 語(yǔ)言編程具有許多優(yōu)點(diǎn)，但基于嵌入式系統(tǒng)的C語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn) C語(yǔ)言又有很大區(qū)別。接下來(lái)小編結(jié)合嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)和高手們的一些積累，給大家整理出在程序設(shè)計(jì)中代碼優(yōu)化的一些小技巧。

1、嵌入式C語(yǔ)言的特點(diǎn)

作為一種結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，C 語(yǔ)言兼顧多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的功能性和可移植性。但在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，出于對(duì)低價(jià)產(chǎn)品的需求，系統(tǒng)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)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(kāi)發(fā)人員應(yīng)注意嵌入式 C語(yǔ)言和標(biāo)準(zhǔn) C 語(yǔ)言的區(qū)別，減少生成代碼長(zhǎng)度，提高程序執(zhí)行效率，在程序設(shè)計(jì)中對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。

2、C代碼在程序中的優(yōu)化

現(xiàn)在的 C 編譯器會(huì)自動(dòng)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化，但這些優(yōu)化是對(duì)執(zhí)行速度和代碼長(zhǎng)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(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。

3、變量類(lèi)型的定義

不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型所生成的機(jī)器代碼長(zhǎng)度相差很多，變量類(lèi)型選取的范圍越小運(yùn)行速度越快，占用的內(nèi)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(lái)定義;能夠使用整型變量定義的變量就不要用長(zhǎng)整型(long int)，能不使用浮點(diǎn)型(float)變量就不要使用浮點(diǎn)型變量。相同類(lèi)型的數(shù)據(jù)類(lèi)型，有無(wú)符號(hào)對(duì)機(jī)器代碼長(zhǎng)度也有影響。因此我們應(yīng)按照實(shí)際需要合理的選用數(shù)據(jù)類(lèi)型。當(dāng)然，在定義變量后不要超過(guò)變量的作用范圍，如果超過(guò)變量的范圍賦值，C編譯器并不報(bào)錯(cuò)，但程序運(yùn)行結(jié)果卻錯(cuò)了，而且這樣的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)。

4、算法優(yōu)化

算法優(yōu)化指對(duì)程序時(shí)空復(fù)雜度的優(yōu)化:在 PC 機(jī)上進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)一般不必過(guò)多關(guān)注程序代碼的長(zhǎng)短，只需考慮功能的實(shí)現(xiàn)，但嵌入式系統(tǒng)就必須考慮系統(tǒng)的硬件資源，在程序設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量采用生成代碼短的算法，在不影響程序功能實(shí)現(xiàn)的情況下優(yōu)化算法。

5、適當(dāng)?shù)氖褂煤?/p>

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(lái)像函數(shù)。函數(shù)調(diào)用要使用系統(tǒng)的棧來(lái)保存數(shù)據(jù)，同時(shí) CPU 在函數(shù)調(diào)用時(shí)需要保存和恢復(fù)當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作，所以函數(shù)調(diào)用也需要 CPU時(shí)間。而宏定義就沒(méi)有這個(gè)問(wèn)題:宏定義僅僅作為預(yù)先寫(xiě)好的代碼嵌入到當(dāng)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(yǔ)言的 call 調(diào)用，返回參數(shù)，執(zhí)行 return等過(guò)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(cuò)更加麻煩，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，為了達(dá)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(qǐng)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(qǐng)注意，這兩個(gè)函數(shù)的功能相似。然而，第一個(gè)函數(shù)調(diào)用strlen函數(shù)多次，而第二個(gè)函數(shù)只調(diào)用函數(shù)strlen一次。因此第二個(gè)函數(shù)性能明顯比第一個(gè)好。

6、內(nèi)嵌匯編

程序中對(duì)時(shí)間要求苛刻的部分可以用內(nèi)嵌匯編來(lái)重寫(xiě)，以帶來(lái)速度上的顯著提高。但是，開(kāi)發(fā)和測(cè)試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，因而要慎重選擇要用匯編的部分。在程序中，存在一個(gè)80-20原則，即20%的程序消耗了80%的運(yùn)行時(shí)間，因而我們要改進(jìn)效率，最主要是考慮改進(jìn)那20%的代碼。

7、提高循環(huán)語(yǔ)言的效率

在 C 語(yǔ)言中循環(huán)語(yǔ)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(zhǎng)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(jiǎn)潔但效率高

8、提高 switch 語(yǔ)句的效率

switch 語(yǔ)句是 C 語(yǔ)言中常用的選擇語(yǔ)句， 在編譯時(shí)會(huì)產(chǎn)生if- else- if 嵌套代碼，并按照順序進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)匹配時(shí)，就跳轉(zhuǎn)到滿(mǎn)足條件的語(yǔ)句執(zhí)行。

當(dāng) switch 語(yǔ)句中的 case 標(biāo)號(hào)很多時(shí)，為了減少比較的次數(shù)，可以把發(fā)生頻率相對(duì)高的條件放到第一位或者把整個(gè) switch 語(yǔ)句轉(zhuǎn)化嵌套 switch 語(yǔ)句。把發(fā)生頻率高的 case 標(biāo)號(hào)放在最外層的 switch 語(yǔ)句中，發(fā)生相對(duì)頻率相對(duì)低的 case 標(biāo)號(hào)放在另外的 switch 語(yǔ)句中。如例 3 中，把發(fā)生率高的case 標(biāo)號(hào)放在外層的 switch 語(yǔ)句中，把發(fā)生頻率低的放在缺省的(default)內(nèi)層 switch 語(yǔ)句中。

[plain] view plain copy print? switch (表達(dá)式) { case 值1:語(yǔ)句1: break;case 值2：語(yǔ)句2：break; ……/*把發(fā)生頻率低的放在內(nèi)層的switch語(yǔ)句中*/default:switch (表達(dá)式) {case 值n:語(yǔ)句n: break;case 值m:語(yǔ)句m: break;……}}例子3 使用嵌套switch語(yǔ)句提高程序執(zhí)行效率。

9、避免使用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)

使用 C語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)可以加快開(kāi)發(fā)進(jìn)度，但由于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)需要設(shè)法處理用戶(hù)所有可能遇到的情況，所以很多標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)代碼很大。比如標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的 sprintf函數(shù)非常大。這個(gè)龐大的代碼中有很大一部分用于處理浮點(diǎn)數(shù)，如果程序中不需要格式化浮點(diǎn)數(shù)值( 如%f)，程序設(shè)計(jì)人員就可以根據(jù)實(shí)際情況用少量的代碼實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。

10、采用數(shù)學(xué)方法優(yōu)化程序

數(shù)學(xué)是計(jì)算機(jī)之母，沒(méi)有數(shù)學(xué)的依據(jù)和基礎(chǔ)，就沒(méi)有計(jì)算機(jī)的發(fā)展，所以在編寫(xiě)程序的時(shí)候，采用一些數(shù)學(xué)方法會(huì)對(duì)程序的執(zhí)行效率有數(shù)量級(jí)的提高。有時(shí)候這個(gè)問(wèn)題常常被大家忽略， 對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的程序員來(lái)說(shuō)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(yǔ)言的位操作可以減少除法和取模的運(yùn)算。在計(jì)算機(jī)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(yùn)算”來(lái)完成所有的運(yùn)算和操作。因而，靈活的位操作可以有效地提高程序運(yùn)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(duì)提高代碼的效率有很大的幫助。當(dāng)然有時(shí)候時(shí)間效率和空間效率是對(duì)立的，此時(shí)應(yīng)分析哪個(gè)更重要， 做出適當(dāng)?shù)恼壑?。另外，在進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候不要片面的追求緊湊的代碼，因?yàn)榫o湊的代碼并不能產(chǎn)生高效率的機(jī)器碼。

11、存儲(chǔ)器分配

由于成本限制，嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器容量有限。程序中所有的變量，包含的庫(kù)函數(shù)以及堆棧等都使用有限的內(nèi)存:全局變量在整個(gè)程序范圍內(nèi)都有效。程序執(zhí)行完后才會(huì)釋放;靜態(tài)變量的作用范圍也是整個(gè)程序，只有局部變量中的動(dòng)態(tài)變量在函數(shù)執(zhí)行完后會(huì)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?jǐn)?shù)據(jù)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(shí)候分配內(nèi)存。因此在使用 malloc 函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存之后一定要用 free 函數(shù)進(jìn)行釋放， 防止內(nèi)存泄露。

12、選擇好的無(wú)限循環(huán)

在編程中，我們常常需要用到無(wú)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(méi)有判斷，跳轉(zhuǎn)，比while (1)好。

13、使用Memoization，以避免遞歸重復(fù)計(jì)算

考慮Fibonacci(斐波那契)問(wèn)題，F(xiàn)ibonacci問(wèn)題是可以通過(guò)簡(jiǎn)單的遞歸方法來(lái)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(kāi)始，因此，該系列看起來(lái):1，1，2，3，5，8，…

注意:從遞歸樹(shù)，我們計(jì)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(jì)算。如果n非常大，fib函數(shù)的效率會(huì)比較低。Memoization是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以被用在遞歸，加強(qiáng)計(jì)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(yùn)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(diǎn)來(lái)減小其運(yùn)轉(zhuǎn)開(kāi)銷(xiāo)，例如減小中斷次數(shù)，利用DMA傳輸方式等。

對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，Ｃ語(yǔ)言在開(kāi)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(shì)。本文就嵌入式Ｃ語(yǔ)言在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，如何更好的利用系統(tǒng)資源，對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化進(jìn)行了討論。當(dāng)然代碼優(yōu)化的方法還有很多，這里只是寫(xiě)出了一部分，希望能為開(kāi)發(fā)人員提供一些幫助，也歡迎大家留言交流。

原文標(biāo)題：手把手教你嵌入式C語(yǔ)言?xún)?yōu)化技巧