5、循环优化

（ 1）、充分分解小的循环

　　 要充分利用 CPU的指令缓存，就要充分分解小的循环。 特别是当循环体本身很小的时候，分解循环可以提高性能。注意 :很多编译器并不能自动分解循环。 不好的代码：

// 3D 转化：把矢量 V 和 4x4 矩阵 M 相乘

for (i = 0 ； i < 4 ； i ++)

{

　　 r[i] = 0 ；

　　 for (j = 0 ； j < 4 ； j ++)

　　 {

　　　　 r[i] += M[j][i]*V[j] ；

　　 }

}

推荐的代码：

r[0] = M[0][0]*V[0] + M[1][0]*V[1] + M[2][0]*V[2] + M[3][0]*V[3] ；

r[1] = M[0][1]*V[0] + M[1][1]*V[1] + M[2][1]*V[2] + M[3][1]*V[3] ；

r[2] = M[0][2]*V[0] + M[1][2]*V[1] + M[2][2]*V[2] + M[3][2]*V[3] ；

r[3] = M[0][3]*V[0] + M[1][3]*V[1] + M[2][3]*V[2] + M[3][3]*v[3] ；

（ 2）、提取公共部分

对于一些不需要循环变量参加运算的任务可以把它们放到循环外面，这里的任务包括表达式、函数的调用、指针运算、数组访问等，应该将没有必要执行多次的操作全部集合在一起，放到一个 init 的初始化程序中进行。

（ 3）、延时函数

通常使用的延时函数均采用自加的形式：

    void delay (void)

    {

unsigned int i;

    for (i=0;i<1000;i++) ;

    }

将其改为自减延时函数：

    void delay (void)

    {

unsigned int i;

        for (i=1000;i>0;i--) ;

    }

两个函数的延时效果相似，但几乎所有的 C 编译对后一种函数生成的代码均比前一种代码少 1~3 个字节，因为 几乎所有的 MCU 均有为 0 转移的指令 ，采用后一种方式能够生成这类指令。在使用 while 循环时也一样，使用自减指令控制循环会比使用自加指令控制循环生成的代码更少 1~3 个字母。但是在循环中有通过循环变量“ i ”读写数组的指令时，使用预减循环有可能使数组超界，要引起注意。

（ 4）、while循环和do…while循环

用 while 循环时有以下两种循环形式：

unsigned int i;

    i=0;

    while (i<1000)

    {

        i++;

         // 用户程序

    }

或：

unsigned int i;

    i=1000;

do

{

    i--;

    // 用户程序

}

while (i>0);

在这两种循环中， 使用 do … while 循环编译后生成的代码的长度短于 while 循环。

（ 6）、循环展开

这是经典的速度优化，但许多编译程序 ( 如 gcc -funroll-loops) 能自动完成这个事，所以现在你自己来优化这个显得效果不明显。

旧代码 :

for (i = 0; i < 100; i++)

{

do_stuff(i);

}

新代码 :

for (i = 0; i < 10; )

{

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

do_stuff(i); i++;

}

可以看出， 新代码里比较指令由 100 次降低为 10 次，循环时间节约了 90% 。 不过注意 : 对于中间变量或结果被更改的循环，编译程序往往拒绝展开， ( 怕担责任呗 ) ，这时候就需要你自己来做展开工作了。

还有一点请注意，在有内部指令 cache 的 CPU 上 ( 如 MMX 芯片 ) ，因为循环展开的代码很大，往往 cache 溢出，这时展开的代码会频繁地在 CPU 的 cache 和内存之间调来调去，又因为 cache 速度很高，所以此时循环展开反而会变慢。 还有就是循环展开会影响矢量运算优化。

（ 6）、循环嵌套

把相关循环放到一个循环里，也会加快速度。

旧代码 :

for (i = 0; i < MAX; i++)        /* initialize 2d array to 0's */

    for (j = 0; j < MAX; j++)

        a[i][j] = 0.0;

    for (i = 0; i < MAX; i++)    /* put 1's along the diagonal */

        a[i][i] = 1.0;

新代码 :

for (i = 0; i < MAX; i++)        /* initialize 2d array to 0's */

{

    for (j = 0; j < MAX; j++)

        a[i][j] = 0.0;

     a[i][i] = 1.0;                  /* put 1's along the diagonal */

}

（ 7）、Switch语句中根据发生频率来进行case排序

Switch 可能转化成多种不同算法的代码。其中最常见的是 跳转表 和 比较链 / 树 。当 switch 用比较链的方式转化时，编译器会产生 if-else-if 的嵌套代码，并按照顺序进行比较，匹配时就跳转到满足条件的语句执行。所以可以对 case 的值依照发生的可能性进行排序，把最有可能的放在第一位，这样可以提高性能。此外，在 case 中推荐使用小的连续的整数，因为在这种情况下，所有的编译器都可以把 switch 转化成跳转表。

不好的代码：

int days_in_month ， short_months ， normal_months ， long_months ；

。。。。。。

switch (days_in_month)

{

　　 case 28:

　　 case 29:

　　　　 short_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 case 30:

　　　　 normal_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 case 31:

　　　　 long_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 default:

　　　　 cout << "month has fewer than 28 or more than 31 days" << endl ；

　　　　 break ；

}

推荐的代码：

int days_in_month ， short_months ， normal_months ， long_months ；

。。。。。。

switch (days_in_month)

{

　　 case 31:

　　　　 long_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 case 30:

　　　　 normal_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 case 28:

　　 case 29:

　　　　 short_months ++ ；

　　　　 break ；

　　 default:

　　　　 cout << "month has fewer than 28 or more than 31 days" << endl ；

　　　　 break ；

}     

（ 8）、将大的switch语句转为嵌套switch语句

当 switch 语句中的 case 标号很多时，为了减少比较的次数，明智的做法是把大 switch 语句转为嵌套 switch 语句。把发生频率高的 case 标号放在一个 switch 语句中，并且是嵌套 switch 语句的最外层，发生相对频率相对低的 case 标号放在另一个 switch 语句中。比如，下面的程序段把相对发生频率低的情况放在缺省的 case 标号内。

pMsg=ReceiveMessage();

        switch (pMsg->type)

        {

        case FREQUENT_MSG1:

        handleFrequentMsg();

        break;

        case FREQUENT_MSG2:

        handleFrequentMsg2();

        break;

        。。。。。。

        case FREQUENT_MSGn:

        handleFrequentMsgn();

        break;

        default:                      // 嵌套部分用来处理不经常发生的消息

        switch (pMsg->type)

        {

        case INFREQUENT_MSG1:

        handleInfrequentMsg1();

        break;

        case INFREQUENT_MSG2:

        handleInfrequentMsg2();

        break;

        。。。。。。

        case INFREQUENT_MSGm:

        handleInfrequentMsgm();

        break;

        }

        }

如果 switch 中每一种情况下都有很多的工作要做，那么把整个 switch 语句用一个 指向函数指针的表 来替换会更加有效，比如下面的 switch 语句，有三种情况：

    enum MsgType{Msg1 ， Msg2 ， Msg3}

        switch (ReceiveMessage()

        {

        case Msg1;

        。。。。。。

         case Msg2;

        。。。。。

        case Msg3;

        。。。。。

        }

为了提高执行速度，用下面这段代码来替换这个上面的 switch 语句。

        /* 准备工作 */

        int handleMsg1(void);

        int handleMsg2(void);

        int handleMsg3(void);

        /* 创建一个函数指针数组 */

        int (*MsgFunction [])()={handleMsg1 ， handleMsg2 ， handleMsg3};

        /* 用下面这行更有效的代码来替换 switch 语句 */

        status=MsgFunction[ReceiveMessage()]();

（ 9）、循环转置

有些机器对 JNZ( 为 0 转移 ) 有特别的指令处理，速度非常快，如果你的循环对方向不敏感，可以由大向小循环。

旧代码 :

            for (i = 1; i <= MAX; i++)

           {

                     。。。

                 }

新代码 :

            i = MAX+1;

           while (--i)

                {

                   。。。

                }

不过千万注意，如果指针操作使用了 i 值，这种方法可能引起指针越界的严重错误 (i = MAX+1;) 。当然你可以通过对 i 做加减运算来纠正，但是这样就起不到加速的作用，除非类似于以下情况：

旧代码 :

    char a[MAX+5];

    for (i = 1; i <= MAX; i++)

    {

         *(a+i+4)=0;

    }

新代码 :

    i = MAX+1;

    while (--i)

    {

        *(a+i+4)=0;

}

（ 10）、公用代码块

一些公用处理模块，为了满足各种不同的调用需要，往往在内部采用了大量的 if-then-else 结构，这样很不好，判断语句如果太复杂，会消耗大量的时间的，应该尽量减少公用代码块的使用。 ( 任何情况下，空间优化和时间优化都是对立的 -- 东楼 ) 。当然，如果仅仅是一个 (3==x) 之类的简单判断，适当使用一下，也还是允许的。记住，优化永远是追求一种平衡，而不是走极端。

（ 11）提升循环的性能

要提升循环的性能，减少多余的常量计算非常有用（比如，不随循环变化的计算）。

不好的代码 ( 在 for() 中包含不变的 if()) ：

for( i 。。。 )

{

　　 if( CONSTANT0 )

　　 {

　　　　 DoWork0( i ) ； // 假设这里不改变 CONSTANT0 的值

　　 }

　　 else

　　 {

　　　　 DoWork1( i ) ； // 假设这里不改变 CONSTANT0 的值

　　 }

}

推荐的代码：

if( CONSTANT0 )

{

　　 for( i 。。。 )

　　 {

　　　　 DoWork0( i ) ；

　　 }

}

else

{

　　 for( i 。。。 )

　　 {

　　　　 DoWork1( i ) ；

　　 }

}  

如果已经知道 if() 的值，这样可以避免重复计算。虽然不好的代码中的分支可以简单地预测，但是由于推荐的代码在进入循环前分支已经确定，就可以减少对分支预测的依赖。

（ 12）、选择好的无限循环

在编程中，我们常常需要用到无限循环，常用的两种方法是 while (1) 和 for ( ；； ) 。这两种方法效果完全一样，但那一种更好呢？然我们看看它们编译后的代码：

编译前：

while (1) ；

编译后：

mov eax ， 1

test eax ， eax

je foo+23h

jmp foo+18h  

编译前：

for ( ；； ) ；

编译后：

jmp foo+23h

显然， for ( ；； ) 指令少，不占用寄存器，而且没有判断、跳转，比 while (1) 好。