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C语言陷阱与技巧第17节,如果有个条件很大可能不发生,怎样写出更高效率的程序

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在学习C语言程序开发时,很多初学者常常会有一种“编程也不过如此”的错觉,这种感觉通常出现在刚刚学完C语言语法,且能够独立完成一些课后练习题的时候,初学者的信心会在这一时期达到顶峰。可能会觉得程序无非就是各种 if 条件判断,加上相应的逻辑处理。

程序员编写程序就是为了服务人的,程序能够提供的服务越多,这个程序的功能也就越强大。不过,程序是死板的,它需要接收外界(比如人)输入的指令,才知道要做什么。

例如,你打开今日头条,你得点击我的文章才能看到这些内容。头条不会在你没有输入时,自动的把我的文章显示到手机。

这么看来,“程序是各种条件判断,加上相应的逻辑处理”这句话并没有错。程序会根据条件的不同,做出不同的响应。事实上,在C语言程序开发中也是如此——例如,程序员常常需要根据被调用函数不同的返回值,做出不同的处理,这其实就是“条件判断”+“相应逻辑处理”。

不过,从上一节介绍的 3 种风格的C语言代码应该可以看出,同样一个功能,有经验的程序员总是能够写出紧凑易读的代码,以更小的开销,实现更高的执行效率。

以下这种C语言代码常常出现在C语言程序开发中,请看:

if(cond){
    ...
    statements;
    ...
}else{
    ...
    statements;
    ...
}

可是有时候 cond 只在极少的情况下发生,例如:随机生成一个随机数,该随机数的范围是 0~100000,如果随机数小于 2,则将 val 赋值为 -1,否则将 val 赋值为当前UTC时间,相关C语言代码如下,请看:

if(myrand() < 2)
    val = -1;
else
    val = time(NULL);

从上述代码可以看出, val = -1; 其实只有 2/100000 的几率会被执行,但是为了这 2/100000 的几率,程序每次都需要判断 if 条件是否成立,这会造成一定的性能损失。

可是,不写 if 判断代码又会导致最终得到的C语言程序有可能不按照预期执行,该怎么办呢?类似的情况还有,某个条件非常可能成立,只会在极少情况下才不成立,但是同样得写上 if 语句每次判断。

针对这种情况,其实可以参考 Linux 内核的C语言代码,请看下面这两个宏:

 #define likely(x)   __builtin_expect(!!(x), 1)
 #define unlikely(x) __builtin_expect(!!(x), 0)


其实看宏的名字应该就能明白它们的作用:likely(x) 会告诉编译器 x 很可能成立,unlikely(x) 则会告诉编译器 x 不太可能成立,然后编译器会据此优化代码,生成效率更高的程序,稍后我们会看到一个实例。

这一过程是由编译器内置函数__builtin_expect实现的,应该能够发现,Linux 内核使用该函数时用到了一个小技巧——使用 "!!" 将条件转换为 bool 值( 0 或 1)。

相信读者应该已经明白,在C语言中任何非零值都会被认为是“真”,所以下面这样的C语言代码:

if(32)
    printf("true");
else
    printf("false");

编译后会输出 “true"。但是有时候有些程序员在开发中会忽略这一点,掉进“陷阱”,例如:

有两个函数 fun1() 和 fun2() 会返回任意整数,要求只有当它们一个返回真,一个返回假的时候,才打印“success”。

有些程序员会直接写:

int a = fun1();
int b = fun2();
if( ( a && (!b) || ( (!a)&&b ) )
    printf("success")

还有些程序员注意到了 fun1() 和 fun()2 要么返回真,要么返回假,他觉得上面这种写法太罗嗦,于是写可能会写出这样的C语言代码:

if( fun1() != fun2() )
    printf("success");

看起来,似乎只有一个真一个假的时候,fun1() 和 fun2() 才会不相等,所以上面这种简洁的写法更好?

不过要是 fun1() 和 fun2() 函数一个返回 3,一个返回 4 ,上面这种写法就会输出不符合预期的结果了。所以这种思路正确的写法如下,请看相关C语言代码:

if( !!fun1() != !!fun2() )
    printf("success");

"!!" 可以将条件转换为 bool 值,下面这两种写法是等价的:

b = cond?1:0;
// 等价于
b = !!cond;

likely 与 unlikely 宏的实例

现在我们一起看一下 likely 与 unlikely 宏的作用,写出C语言代码如下,请看:

#define likely(x)  (__builtin_expect(!!(x), 1))
#define unlikely(x)    (__builtin_expect(!!(x), 0))
int test_likely(int x)
{
    if(likely(x==0))
        x = 6;
    else
        x = 9;
    return x;
}
int test_unlikely(int x)
{
    if(unlikely(x==0))
        x = 6;
    else
        x = 9;
    return x;
}
int test_normal(int x)
{
    if(x==0)
        x = 6;
    else
        x = 9;
    return x;
}


以上 test_xx() 函数在判断 x 是否等于 0 时,分别使用了 likely 宏,unlikely 宏,以及没有使用宏直接判断。我们输入以下命令:

# gcc -fprofile-arcs -O2 -c t.c
# objdump -d t.o

得到如下输出:

容易看出,likely 宏优先将 x 赋值为 6并提前返回,这意味着“x==6 极有可能发生”。unlikely 认为“x==6不太可能发生”,因此优先将 x 赋值为 9 并提前返回。而 test_normal() 函数则没有这些优化。

其实从这里也能够看出,如果程序员将 likely 宏与 unlikely 宏使用反了,是会降低C语言程序的效率的,因此在使用这两个宏之前,一定要弄清楚条件是很大可能发生,还是基本不会发生,否则会适得其反。

小结

本节讨论了C语言程序开发中条件语句的重要性,介绍了使用 "!!" 将条件转换为 bool 值的小技巧,并在此基础上讨论了 Linux 内核中常用的 likely 和 unlikely 两个宏,正确使用这两个宏是能够提高最终得到的C语言程序运行效率的。


C语言陷阱与技巧第17节,如果有个条件很大可能不发生,怎样写出更高效率的程序 - 刘冲的博客(https://blog.popkx.com) 原创版权所有,转载请注明出处。
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