在C语言程序开发中,一些移位操作似乎可以达到与乘除法操作一样的效果。例如,4>>1 等于 2,此时右移一位相当于除以 2。类似的,2<<1 等于 4,此时左移一位相当于乘以 2。

因此,有些教材推荐使用移位操作代替乘除操作,称可以为最终的C语言程序带来效率上的提升,那么真的如此吗?

移位代替乘除,C语言程序效率更高吗?

得到答案最简单直接的方法是做实验,下面是两段关于哈希算法的C语言程序,请看:

  
  1. unsigned int hash( char const* s ) 
  2.  unsigned h = 0; 
  3.  while ( *s != '\0' ) { 
  4.  h = 127 * h + (unsigned char)*s; 
  5.  ++ s; 
  6.  } 
  7.  return h; 

读者应将注意力放在h = 127 * h + (unsigned char)*s;一行,此时C语言代码使用的是乘法操作。下面是另外一段C语言代码,请看:

  
  1. unsigned int hash( char const* s ) 
  2.  unsigned h = 0; 
  3.  while ( *s != '\0' ) { 
  4.  h = (h << 7) - h + (unsigned char)*s; 
  5.  ++ s; 
  6.  } 
  7.  return h; 
有C语言程序员说,使用移位操作代替乘除运算效率更高,真的吗?

唯一的区别就是使用 h<<7 移位操作代替了 127 * h 乘法操作

与前面那段C语言代码相比,唯一的区别就是使用 h<<7 移位操作代替了 127 * h 乘法操作。在我的机器上,我测试了这两段C语言代码的效率,结果是两者差不多快,有时 127 * h 版本的C语言代码更快!

解析

C语言程序中,使用移位操作代替乘除操作更快吗?现在这个问题我们已经有答案了:并不如此。原因在于C语言编译器一般都会优化我们的代码,它知道如何尽可能快地增加目标处理器体系结构的能力,也即尽量生成尽可能快的程序。

因此作为C语言程序员,我们应该做的是明确告诉编译器我们的意图(即到底是 i * 2,还是 i<<1),让它根据上下文决定如何产生更快的指令。

当硬件不支持快速乘除法时,编译器会将乘除法转换为移位和加法/减法的适当组合。因为它知道我们的最终目的,所以有时候显示的写出移位代码,倒不如直接告诉编译器我们的目的,这样才能得到尽可能快的C语言程序。

事实上,有时候简单的移位操作并不等同于乘除法,而且有些乘法并不能通过简单的移位实现,例如:

  
  1. -5 / 2 = -2 
  2. -5 >> 1 = -3 
  3. i*3 = (i<<1) + i 
  4. i*10 = (i<<3) + (i<<1) 

因此,使用移位操作代替乘除法操作可能会带来预计之外的结果。而且有些移位组合也会让同事难以理解这段C语言代码的真实意图,也不利于协作开发和后期维护。

小结

本节讨论了C语言程序开发中,移位操作与乘除法操作的关系,并讨论了它们之间的效率问题。可以看出,我们并不需要纠结二者之间的取舍。事实上,考虑到代码的易读性和编译器的优化特性,我们应该写出“本意”代码,即:希望实现乘除操作时,就写出乘除代码。希望实现移位操作时,就写出移位代码。

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