高效的C编程之：C循环结构

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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= &minus;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。