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高效的C编程之C循环结构
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2017-10-17
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14.5 C循环结构
循环体是程序设计与优化的重点考虑对象。本节将着重讲解在ARM上处理for和while循环最有效的方法。
14.5.1 循环中止
首先来看下面的例子，两个不同的循环退出条件，产生的不同汇编代码。
C源程序如下所示。
int fact1 （int n）
{
int i， fact = 1;
for （i = 1; i 《= n; i++）
fact *= i;
return （fact）;
}
int fact2 （int n）
{
int i， fact = 1;
for （i = n; i ！= 0; i--）
fact *= i;
return （fact）;
}
产生的汇编代码如下所示。
fact1
MOV a3，#1
MOV a2，#1
CMP a1，#1
BLT |L000020.J5.fact1|
|L000010.J4.fact1|
MUL a3，a2，a3
ADD a2，a2，#1
CMP a2，a1
BLE |L000010.J4.fact1|
|L000020.J5.fact1|
MOV a1，a3
MOV pc，lr
fact2
MOVS a2，a1
MOV a1，#1
MOVEQ pc，lr
|L000034.J4.fact2|
MUL a1，a2，a1
SUBS a2，a2，#1
BNE |L000034.J4.fact2|
MOV pc，lr
从产生的汇编代码中，可以看出两个函数虽然实现的功能相同，但产生的代码效率却不尽相同。这里的关键是，循环的中止条件应为计数减到零（count down to zero），而不是计数增加到某个值。由于减计数结果已存储在条件标志里，与零比较的指令就可以省略。同时也可以少用一个寄存器来存储循环中止值。
注意上面的例子使用了-O2 –Otime的编译选项，如果使用-Ospace选项，编译结果会有不同。
对循环计数值i来说，如果i是无符号的，则循环继续的条件既可以是i！=0，也可以是i 》 0。由于i不可能是负数，所以这两个条件是等价的。而对一个有符号的循环计数值来说，最好不要用条件i 》 0作为循环继续执行的条件。如果使用i 》 0作为循环继续执行的条件，编译器将生成下面的代码。
SUB a2，a2，#1
CMP r1，＃0
BGT |L000034.J4.fact2|
这时，编译器多增加了一条CMP指令，主要是为了防止有符号数i= −0x8000000。总之，无论对于有符号还是无符号的循环计数值，都应该使用i ！= 0作为循环的结束条件。对于有符号数i，这比使用i 》 0少了一条指令。
14.5.2 循环展开
在14.5.1节中可以发现，每次循环需要在循环体外加两条指令：一条减法指令来减少循环计数值和一条条件分支指令。通常这些指令称为循环开销（Loop Overhead）。在ARM7或ARM9处理器上，加法指令需要1个周期，条件分支指令需要3个周期，这样每个循环就需要4个周期的开销。
可以通过展开循环体（Loop Unrolling），即重复循环主体多次，同时按同样的比例减少循环次数来降低循环开销。
下面的例子通过将循环体展开4次，来达到减少循环开销的目的。
int countbit1（uint n）
{ int bits = 0;
while （n ！= 0）
{
if （n & 1） bits++;
n 》》= 1;
}
return bits;
}
将循环主体展开。
int countbit2（uint n）
{ int bits = 0;
while （n ！= 0）
{
if （n & 1） bits++;
if （n & 2） bits++;
if （n & 4） bits++;
if （n & 8） bits++;
n 》》= 4;
}
return bits;
}
这里减少了4N的循环开销（N=4，即循环体执行的次数）。如果循环体中存在耗时的Store/Load指令，则代码执行效率的提高将更明显。
ARM编译器不会自动将循环体展开，只有用户自己判断何时将循环体展开，到底应该展开多少次，如果循环的次数不是循环展开的倍数该怎么办？下面就将详细讨论，用户编写自己的循环展开程序时，需要注意的问题。
① 只有当循环展开对提高应用程序的整体性能非常重要时，才进行循环展开；否则反而会增加代码尺寸。
② 应设法使循环的次数是循环展开的倍数。如果难以实现，那么就要增加额外的代码来处理数组的剩余元素。这将增加少许代码量，但可以保持较好的性能。
循环体是程序设计与优化的重点考虑对象。本节将着重讲解在ARM上处理for和while循环最有效的方法。
14.5.1 循环中止
首先来看下面的例子，两个不同的循环退出条件，产生的不同汇编代码。
C源程序如下所示。
int fact1 （int n）
{
int i， fact = 1;
for （i = 1; i 《= n; i++）
fact *= i;
return （fact）;
}
int fact2 （int n）
{
int i， fact = 1;
for （i = n; i ！= 0; i--）
fact *= i;
return （fact）;
}
产生的汇编代码如下所示。
fact1
MOV a3，#1
MOV a2，#1
CMP a1，#1
BLT |L000020.J5.fact1|
|L000010.J4.fact1|
MUL a3，a2，a3
ADD a2，a2，#1
CMP a2，a1
BLE |L000010.J4.fact1|
|L000020.J5.fact1|
MOV a1，a3
MOV pc，lr
fact2
MOVS a2，a1
MOV a1，#1
MOVEQ pc，lr
|L000034.J4.fact2|
MUL a1，a2，a1
SUBS a2，a2，#1
BNE |L000034.J4.fact2|
MOV pc，lr
从产生的汇编代码中，可以看出两个函数虽然实现的功能相同，但产生的代码效率却不尽相同。这里的关键是，循环的中止条件应为计数减到零（count down to zero），而不是计数增加到某个值。由于减计数结果已存储在条件标志里，与零比较的指令就可以省略。同时也可以少用一个寄存器来存储循环中止值。
注意上面的例子使用了-O2 –Otime的编译选项，如果使用-Ospace选项，编译结果会有不同。
对循环计数值i来说，如果i是无符号的，则循环继续的条件既可以是i！=0，也可以是i 》 0。由于i不可能是负数，所以这两个条件是等价的。而对一个有符号的循环计数值来说，最好不要用条件i 》 0作为循环继续执行的条件。如果使用i 》 0作为循环继续执行的条件，编译器将生成下面的代码。
SUB a2，a2，#1
CMP r1，＃0
BGT |L000034.J4.fact2|
这时，编译器多增加了一条CMP指令，主要是为了防止有符号数i= −0x8000000。总之，无论对于有符号还是无符号的循环计数值，都应该使用i ！= 0作为循环的结束条件。对于有符号数i，这比使用i 》 0少了一条指令。
14.5.2 循环展开
在14.5.1节中可以发现，每次循环需要在循环体外加两条指令：一条减法指令来减少循环计数值和一条条件分支指令。通常这些指令称为循环开销（Loop Overhead）。在ARM7或ARM9处理器上，加法指令需要1个周期，条件分支指令需要3个周期，这样每个循环就需要4个周期的开销。
可以通过展开循环体（Loop Unrolling），即重复循环主体多次，同时按同样的比例减少循环次数来降低循环开销。
下面的例子通过将循环体展开4次，来达到减少循环开销的目的。
int countbit1（uint n）
{ int bits = 0;
while （n ！= 0）
{
if （n & 1） bits++;
n 》》= 1;
}
return bits;
}
将循环主体展开。
int countbit2（uint n）
{ int bits = 0;
while （n ！= 0）
{
if （n & 1） bits++;
if （n & 2） bits++;
if （n & 4） bits++;
if （n & 8） bits++;
n 》》= 4;
}
return bits;
}
这里减少了4N的循环开销（N=4，即循环体执行的次数）。如果循环体中存在耗时的Store/Load指令，则代码执行效率的提高将更明显。
ARM编译器不会自动将循环体展开，只有用户自己判断何时将循环体展开，到底应该展开多少次，如果循环的次数不是循环展开的倍数该怎么办？下面就将详细讨论，用户编写自己的循环展开程序时，需要注意的问题。
① 只有当循环展开对提高应用程序的整体性能非常重要时，才进行循环展开；否则反而会增加代码尺寸。
② 应设法使循环的次数是循环展开的倍数。如果难以实现，那么就要增加额外的代码来处理数组的剩余元素。这将增加少许代码量，但可以保持较好的性能。
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