c 语言之 Duff’s Device

c 语言之 Duff’s Device

• 介绍
• 实现原理
• 例子
• 优点缺点
• 现代使用

介绍

Duff’s device 是一种优化循环展开技术，用于提高数据复制或处理的效率。它通过将循环展开和 switch-case 语句结合在一起，减少了循环控制的开销。这个技术由 Tom Duff 在 1983 年首次提出，用于在 C 语言中实现高效的数据传输。

Duff’s device 的核心思想是通过预计算循环的开始位置和使用不完全展开的循环来减少条件判断和分支跳转，从而提高性能。

实现原理

Duff’s device 主要通过以下几个步骤来实现其目的：

1. 计算循环次数和初始位置：

• 将总的操作次数（例如要复制的字节数）分成多个批次，每批次最多处理固定数量的数据（例如 8 个字节）。
• 计算循环的次数，并确定每个循环的起始位置。

2. 使用 switch-case 和 do-while 语句：

• 使用 switch 语句选择初始位置。
• 使用 do-while 循环来处理剩余的数据，每次循环最多处理固定数量的数据。
• 在每个 case 中执行实际的数据处理操作。

例子

以下是一个经典的 Duff’s device 的实现例子，用于复制内存中的数据：

void copy(char *to, char *from, int count) {
  int n = (count + 7) / 8; // 计算循环次数，向上取整

  switch (count % 8) { // 确定从哪个 case 开始
  case 0:
    do {
      *to++ = *from++;
  case 7:
      *to++ = *from++;
  case 6:
      *to++ = *from++;
  case 5:
      *to++ = *from++;
  case 4:
      *to++ = *from++;
  case 3:
      *to++ = *from++;
  case 2:
      *to++ = *from++;
  case 1:
      *to++ = *from++;
    } while (--n > 0);
  }
}

上述代码实现的功能与下面代码一致：

void
copy (char *to, char *from, int count)
{
  while (count > 0)
    *to++ = *from++, count--;
}

优点缺点

优点：

• 性能提升：通过减少循环控制的开销（例如条件判断和分支跳转），提高了数据处理的效率。
• 紧凑代码：将多个循环迭代合并到一个紧凑的结构中。

缺点：

• 可读性差：代码结构复杂，理解和维护困难。
• 平台依赖：由于现代编译器在优化方面的进步，Duff’s device 的性能优势在一些平台上可能不明显。

现代使用

尽管 Duff’s device 在早期计算机系统中非常有用，但现代编译器已经能够自动进行许多类似的优化。现在，这种技术主要作为一种编程技巧或历史趣闻被提及，而不是实际使用。