C语言骚操作：Duff‘s Device

原创已于 2025-05-14 17:29:48 修改 · 769 阅读

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#算法 #数据结构 #c语言

于 2025-05-13 20:20:41 首次发布

引言

前段时间在网上看了一段代码，简直惊掉了下巴，代码贴在了下面，供大家欣赏

#include <stdio.h>

int test(int count)
{
	int i =0;
	int n=(count+7)/8;	/*假设count>0*/
	switch(count%8)
	{
		case 0: do{ i++;
		case 7:		i++;
		case 6:		i++;
		case 5:		i++;
		case 4:		i++;
		case 3:		i++;
		case 2:		i++;
		case 1:		i++;
				}while(--n>0);
	}
	return i;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
	printf("%d\n",test(20));
	return 0;
}

如果你也是第一次看到的话，不妨试一下，看你能得出正确答案吗？

其实，上述代码源自大师之手，我只是做了少许修改。先来聊一下这段历史渊源吧。

Duff's Device

1983年11月，一位叫Tom Duff的大牛在编写串口通信程序时，发现使用一般的写法时，性能总是不能让人满意。后来，这位老兄凭借深厚的编程功底和精湛的C语言技艺，利用C语言中switch语句的一个鲜为人知的特性，发明如了下图所示的经典代码：

void duffs_device_memcpy(char* dest, const char* src, size_t size) {
    size_t n = (size + 7) / 8; // 计算需要多少次循环展开
    switch (size % 8) {        // 处理剩余字节
        case 0: do { *dest++ = *src++;
        case 7:      *dest++ = *src++;
        case 6:      *dest++ = *src++;
        case 5:      *dest++ = *src++;
        case 4:      *dest++ = *src++;
        case 3:      *dest++ = *src++;
        case 2:      *dest++ = *src++;
        case 1:      *dest++ = *src++;
                } while (--n > 0);
    }
}

结果，引来无数吃瓜群众膜拜。在此之前，还没有人发现并利用过C语言的这个特性，于是他便以自己的名字命名这段代码，叫做Duff's Device，一般译为"达夫设备"。

一起看一下大牛的风采，1983年，在卢卡斯影业上班的程序员Tom Duff

代码解析

当时，Duff的需求，是把一段起始地址为from，长度为count的数据，写入到一个内存映射的I/O(Memory Mapped I/O)寄存器to中。

我相信大家都能实现这个需求，直接用for或者while循环就可以解决了

void send(uint8_t *to, uint8_t *from, uint16_t count)
{
    do {                          /* count > 0 assumed */
        *to++ = *from++;
    } while (--count > 0);
}

代码清晰简洁，很直观，简直完美，对吧？

Duff却对此很不满意，因为他觉得这种写法虽然简单，但太过低效，无法接受。

如此简单的代码，为何说它性能低下呢？主要有两个问题：

"无用"指令太多
无法充分发挥CPU的ILP(Instruction-Level Parallelism)技术

我们来分析一下。

所谓无用指令，是指不直接对所期望的结果产生影响的指令。

对于这段代码，我们期望的结果就是把数据都拷贝到I/O寄存器to中。那么，对于这个期望的结果来说，真正有用的代码，其实只有中间那一行赋值操作：

 *to++ = *from++;

而每次迭代过程中的while (--count > 0)产生的指令，以及每次迭代结束后的跳转指令，对结果来说都是无用指令。

上面最简单的实现中，每次循环迭代只拷贝一个字节数据。这就意味着，有多少个字节的数据，就需要执行多少次跳转和条件判断，以及--count的操作。

何为CPU的ILP(Instruction-Level Parallelism)技术？

是指处理器在单个指令流中同时执行多条指令的能力。它是现代 CPU 提高性能的关键技术之一，通过并行执行指令来充分利用硬件资源。

流水线（Pipelining）：将指令执行分为多个阶段，每个阶段由不同的硬件单元处理。
超标量（Superscalar）：在一个时钟周期内发射多条指令到多个执行单元。
乱序执行（Out-of-Order Execution）：根据指令的依赖关系动态调整执行顺序

一个设计合理的程序，往往能够充分利用CPU的这些ILP机制，以使性能达到最优

但是上述代码无用指令太多，且每个迭代只执行中间那一行赋值操作，无法充分发挥ILP的技术优势。

知道上面那个简单实现性能差的原因了，那么如何去优化它呢？

循环展开

所谓循环展开，是通过增加每次迭代内数据操作的次数，来减小迭代次数，甚至彻底消除循环迭代的一种优化手段。

循环展开，有以下优点：

有效减少循环控制指令。前面说过，这些指令，是对结果不产生影响的无用指令。减少这些指令，就可以减少这些指令本身执行所需的开销，从而提升整体性能。
通过合理的展开，可以更加有效地利用指令级并行ILP(Instruction-Level Parallelism 指令级并行)技术。

循环展开是一个很常用的性能优化手段，所有现代编译器，通过合适的选项，都支持循环展开优化。

知道循环展开的好处，可以对上面的代码实现进行第一次优化尝试了。

我们先尝试把每次循环内拷贝字节的个数，由1个提高到到8个，这样就可以把迭代次数降低8倍。

我们先假设，send()函数的参数count总是8的倍数，那么上面的代码就可以修改为：

void send(uint8_t *to, uint8_t *from, uint16_t count)
{
    uint16_t n=count/8;  /* 假设count > 0 且是8的倍数*/
    do {                         
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
    } while (--n > 0);
}

上面的代码很好理解，就是把原来迭代里的操作复制了8次，然后把迭代次数降低了8倍。

但是，我们前面做了一个假设，就是count是8的倍数。那如果不是8的整数倍呢，那我们如何优化呢？

void send(uint8_t *to, uint8_t *from, uint16_t count)
{
    uint16_t n=count/8;  /* 假设count > 0 */
    do {                         
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
        *to++ = *from++;
    } while (--n > 0);
    n=count%8;
    while(n-->0)
    {
         *to++ = *from++;
    }
}

优化到这里，相比原始的实现来说，性能已经大大得到了提升。但是，Duff仍然不满意，他看着第二个while循环非常不爽，尽管对整体性能已经没有太大影响了。

也许这就是大牛异于常人之处，大牛总是追求极致，总是可以在看似不可能的时候，再往前走一步。

switch-case特性

Duff注意到C语言中switch-case语句的一些特性：

case语句后面的break语句不是必须的。
在switch语句内，case标号可以出现在任意的子语句之前，甚至运行出现在if、for、while等语句内。

Duff便利用switch-case的特性，用来处理第一个while循环之后仍然剩余的count % 8个字节的数据。于是便有了这样的代码：

void send(uint8_t *to, uint8_t *from,uint16_t count)
{
	uint16_t n = (count+7)/8;	/*假设count>0*/
	
	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);
	}
}

我们假设count = 20，那么：

n = (count + 7) / 8 = 27 / 8 = 3
count % 8 = 4

switch语句会落入case 4的标签内，然后依次执行了case 4、3、2、1四条语句。自此之后，其实就跟switch-case语句再也没有关系了。
while语句判断--n > 0，条件成立，于是跳转到case 0进入循环体执行，于是依次执行case 0、7、6、5、4、3、2、1一共8条语句。此时n = 2.
再次进入while语句处判断--n >0，条件成立，再次跳转到case 0处进入循环体执行。此时n = 1。
此时，while语句处判断--n >0，条件失败，退出循环，函数结束。