【轉】Duff's Device

在看strcpy、memcpy等的實現發現用了內存對齊，每個word拷貝一次的辦法大大提升了實現效率，參加該blog（http://totoxian.iteye.com/blog/1220273）。

duff's device也是利用了相似的原理減小比較的次數來提升了效率。

 

前幾天在網上看見了一段代碼，叫作「Duff's Device」，後經驗證它曾出如今Bjarne的TC++PL裏面： 

void send( int * to, int * from, int count)           //    Duff設施，有幫助的註釋被有意刪去了  {           int n = (count + 7 ) / 8 ;           switch (count % 8 ) {           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 );          }   }    代碼的結構顯得很是巧妙，把一個switch語句和一個do-while語句糅合在了一塊兒。而在我看過的全部關於C和C++的書中，這樣的代碼都是毫無道理的。然而，不管是在VS2005仍是在GCC4.1.2下，這段代碼都能正確地經過編譯。加上適當的main函數，它均可以正常運行。我百思不得其解。上網去查，也沒查到好答案。  怎麼辦？先看看它的彙編代碼吧，也許能夠經過它的彙編代碼看出它的意思。  gcc -S send.cpp  粗略地一看，彙編代碼都已經上百行了，並且裏面還有一個跳轉表，十幾個標號。通常狀況下，幾十行的彙編代碼都已經不太好看懂了，要把這幾百行彙編徹底看懂，估計須要花不少時間。  既然直接來太麻煩，那就用簡便一點的方法吧：  #include  < iostream >  using   namespace  std;  int  main()  {       int  n  = 0 ;       switch  (n)  {       case   0 :  do   {cout  <<   " 0 "   <<  endl;       case 1 :         cout  <<   " 1 "   <<  endl;       case 2 :         cout  <<   " 2 "   <<  endl;       case   3 :         cout  <<   " 3 "   <<  endl;              }   while ( -- n  > 0 );      }  }  實驗結果 n的值 程序輸出  0 0  1  2  3  1 1  2  3  2 2  3  0  1  2  3  3 3  0  1  2  3  0  1  2  3  其餘 (無輸出)  這下終於弄清楚了。原來，那段代碼的主體仍是do-while循環，但這個循環的入口點並不必定是在do那裏，而是由這個switch語句根據n，把循環的入口定在了幾個case標號那裏。也就是說，程序的執行流程是：程序一開始順序執行，當它執行到了switch的時候，就會根據n的值，直接跳轉到 case n那裏（今後，這個swicth語句就再也沒有用了）。程序繼續順序執行，再當它執行到while那裏時，就會判斷循環條件。若爲真，則while循環開始，程序跳轉到do那裏開始執行循環（這時候因爲已經沒有了switch，因此後面的標號就變成普通標號了，即在沒有goto語句的狀況下就能夠忽略掉這些標號了）；爲假，則退出循環，即程序停止。  忙活了幾個小時，終於明白這段代碼是怎麼回事了。回想一下，本身之前也曾寫過相似C的語法但比C語法簡單不少的解釋器，用的是遞歸子程序法。而若是用遞歸降低法來分析這段代碼，是確定會有問題的。  至於它是怎麼正確編譯並運行的，這須要去研究一下C編譯器，這個之後再說。如今，仍是再來看看達夫設備吧。其實，這個send函數的簽名就已經很具備提示性了：把from數組中的元素拷貝count個到to裏面去。因而有人會說，這個工做簡單，不就這樣嗎：  void my_send( int   * to,  int   * from,  int  count)  {       for  ( int  i  =   0 ; i  !=  count;  ++ i)  {           * to ++   =   * from ++ ;      }  }  這段代碼的確很簡潔，也是正確的，並且生成的機器碼也比send函數短不少。可是卻忽略了一個因素：執行效率。計算一下就能夠知道，my_send函數裏面的循環條件，即i和count的比較運算的次數，是達夫設備的8倍！在作整數賦值這種耗時不多的工做時，這種耗時相對較高的比較工做是會大大地影響函數總體的效率的。達夫設備則是一種很是巧妙的解決辦法（固然，它利用到了編譯器的一些實現上的工做），並且若是把8換成更大的數的話，效率就還能夠提升！  它的思路是這樣的：把原數組以8個int爲單位分紅若干個小組，複製的時候以小組爲單位複製，即一次複製8個 int。也就是說，在my_send函數中以一次比較運算的代價換來1個int的複製，而在達夫設備中，卻能以一次比較運算的代價換來8個int的複製。而switch語句則是用來處理分組時剩下的不到8個的int（這些剩餘的不是數組最後的，而是數組最開始的），很巧妙。  總結：像達夫設備這樣的代碼，從語言的角度來看，我我的以爲不值得咱們借鑑。由於這畢竟不是「正常」的代碼，至少C/C++標準不會保證這樣的代碼必定不會出錯。另外，這種代碼估計有不少人根本都沒見過，若是本身寫的代碼別人看不懂，這也會是一件很讓人頭疼的事。然而，從算法的角度來看，我以爲達夫設備是個很高效、很值得咱們去學習的東西。把一次消耗相對比較高的操做「分攤「到了屢次消耗相對比較低的操做上面，就像vector<T>中實現可變長度的數組的思想那樣，節省了大量的機器資源，也大大提升了程序的效率。這是值得咱們學習的。