第12章 提升性能所需编码准则

12.1 重视性能，限制输出

启动Linux操作系统的计算机时，会看到很多提示信息。虽然初衷是为了输出必要信息，但反复输出相同信息反而会成为一种负担。因此，最好支持用户可以自由设置程序运行时是否输出提示信息。也就是说，用户可以选择输出或不输出这些信息。

用户不满意的地方远不止这些输出信息。C语言中，负责格式化输出的printf()函数的运算成本要远高于其他运算。因为将字符串按照一定格式转换为数字的过程非常复杂，而且将字符输出到标准输出设备的过程同样非常耗时。另外，涉及这一过程的scanf()或sscanf()函数的运算成本也非常高。

printf()函数的运算成本接近加法运算成本的200倍！

12.2 用简单形式改写运算表达式

C编译器处理运算的成本：
位运算、逻辑运算 < 加法运算 < 乘法运算 < 除法运算 < 处理浮点数

所以运算时，应该尽可能选择成本较低的运算。

12.3 需要高效处理大文件时应使用二进制文件

用C语言处理文件时，一般使用ASCII格式的文件。

ASCII格式编写的文件优点是，在任何地方都可以查看该文件，因为任何计算机都提供可以查看ASCII格式文件的命令或程序。而且便于一直，Windows上编写的ASCII文件可以直接用于Linux。

但是，ASCII文件的读写速度要低于二进制文件，而且所占空间更大。因此，如果程序性能至关重要或需要节约存储空间，最好选用二进制文件而非ASCII文件。

12.4 了解并使用压缩/未压缩结构体优缺点

C语言擅长信号处理。实际生活中，随处可见需要信号处理的情况。用网络连接的计算机之间需要进行各种信号往来，根据TCP、IP或ICMP、UDP等规则传送或接收信号。

C语言中，一般将负责这种信号处理的函数编写为结构体形式，使用更加方便。实际上，大部分程序员会单独定义负责信号处理的数据类型，即设置用户自定义数据类型。大部分程序员会用结构体声明这种数据类型。下列示例声明用户自定义数据类型Siganl。

struct Signal {
    char input_character;
    int error_check;
    // …略…
    int parity_check;
    int carrier_check;
    int power_check;
}

假设int型大小为4字节，整个结构体为17字节。假设有需要同时处理1万个信号的极端程序，则声明的数组整体大小为17万个字节，约等于170kB。有的操作系统限制栈大小为64kB。也就是说，栈无法容纳该数组，需要寻找解决方案。

第一个解决方案是将数组声明为静态变量。但这并不是正确的解决方法，因为定义为静态变量可能扰乱整个程序流程。

第二个解决方案是减少Signal大小。如何减少呢？大部分信号只表现on/off。因此，可以用位域定义组成该数据类型的个元素。如下示例所示：

struct Signal {
    char input_character;
    int error_check:1;
    int parity_check:1;
    int carrier_check:1;
    int power_check:1;
}

像这样，用位域定义负责信号处理的各元素后，Signal总大小减少到2字节之内。因此，即使声明10000个信号处理所需数组，也只需要20000字节，即20kB。这就满足一部分操作系统关于“栈最大为64kB”的限制。

这种使用位域减少所占空间大小的结构体又称压缩结构体。为了节约内存空间，信号处理领域多采用压缩结构体。但压缩结构体会减慢程序运行速度，因为位域运算需要消耗大量时间。

两种结构体各有利弊。程序员应该充分认识这一点，并根据不同情况做出选择。

12.5 根据运行环境选择编程语言

C++、Java、C#运行环境

凭心而论，与C++相比，Java和C#更易掌握，也更稳定。而且Java和C#实现了网络环境下的优化。网络中的各计算机的操作系统可能各不相同，即使如此，只要安装JVM或CLR这种虚拟运行环境，即可随时运行Java和C#编写的程序。

正因为Java和C#编写的程序并不依赖计算机操作系统，而需要经过JVM或CLR这一步骤，所以运行速度慢。但C和C++在网络环境下相对有些力不从心。

C++是在C语言种引入面向对象的概念形成的，而Java则在C++中引入混合方式编译器这一构想，C#与Java相似却更简便、更稳定

可能有人会质疑，选择与运行环境相吻合的语言和编码风格有什么关系呢？其实，编码风格的第一步就是选择编程语言。选择何种编程语言对程序的影响程度远大于缩进等细枝末节的影响。

12.6 根据情况选择手段

指针可以大幅提高程序性能，所以市面上的图书常常将擅长使用指针的程序员吹捧为“高级程序员”“有能力的程序员”。编写组成嵌入式系统的程序时，需要程序能够优化系统。而嵌入式系统相对缺少大型内存、CPU的支持，必须考虑效率的问题。这种情况下，能够随心所欲地熟练使用指针地程序员一定会备受推崇。

那么，编写个人PC或企业服务器上运行地程序时，对效率没有极端要求。在这种情况下，能够选择与业务情况、系统情况相吻合的恰当方法处理问题的程序员跟为可贵。例如，在需要最大限度保证可移植性的情况下，即使运行速度减慢、占用内存变多、代码编写更为繁琐，也应该选择数组而非指针，应该选择值传递而非引用传递。

简而言之，擅长使用指针的人不一定时能者。能够从语言提供的各种工具中选择最合适的，并知道如何充分利用该工具才最重要。

12.7 选择更优秀的数据结构

有时，需要处理的数据太多，超出数组可以承受的范围，此时应该选择数组以外的其他数据结构，其中以使用链表为最优。但这并不意味着数组只有缺点没有优点。处理字符串这种较小的数据或数据个数极少时，数组更为方便，即便于处理又便于理解。

因此，应该根据情况选择合适的数据结构。本书之所以介绍这种理论性的内容是因为，众多程序员居然选择利用数组解决所有问题，而不根据情况选择合适的数据类型。有些程序员甚至不知道除数组外还有其他数据结构。

不同程序员可能会用各种方式实现相同的程序设计，此时，数据结构应用能力的高低决定了编程质量的优劣。例如，在没有任何具体排序方式要求的情况下，收到实现排序功能的需求时，程序员可以自由选择排序方式。此时，选用不同的数据结构决定了排序方式和排序性能，所以必须对数据结构由充分认识。最好选择与情况相吻合的数据结构，无论数组、链表、树、队列、栈还是其他数据结构都有各自的优缺点，需要综合考虑并作出最优选择。