ID：技術讓夢想更偉大
作者:李肖遙
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相信大家寫業務邏輯的時候，都是面向if、else、for、while、switch編程。但是你見過switch嵌套do..while嗎？
先上代碼
void send( int * to, int * from, int count) { 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 ); } }
咋的一看，這啥玩意啊，switch/while 這組合能編譯通過嗎？您可別懷疑，還真能。這個就是達夫設備（Duff's Device)
什么是達夫設備
百度百科說法如下：
在計算機科學領域，達夫設備（英文：
Duff's device）是串行復制（serial copy）的一種優化實現，通過匯編語言編程時一常用方法，實現展開循環，進而提高執行效率。這一方法據信為當時供職於盧卡斯影業的湯姆·達夫於1983年11月發明，並可能是迄今為止利用C語言switch語句特性所作的最巧妙的實現。
達夫設備是一個加速循環語句的C編碼技巧。其基本思想是--減少循環測試的執行次數。
簡單講下背景
時間要回到1983年，那是一個雨過天晴的夏天，在盧卡斯影業上班的程序員Tom Duff，他是想為了加速一個實時動畫程序，實現從一個數組復制數據到一個寄存器這樣一個功能，真臉如下。
一般情況下，若要將數組元素復制進存儲器映射輸出寄存器，較為直接的做法如下所示
do { /* count > 0 assumed （假定count的初始值大於0） */ *to = *from++; /* Note that the 'to' pointer is NOT incremented （注意此處的指針變量to指向並未改變） */ } while(--count > 0);
但是達夫洞察到，若在這一過程中將一條switch和一個循環相結合，則可展開循環，應用的是C語言里面case 標簽的Fall through特性，實際就是沒有break繼續執行。實現如上代碼所示。
其實第一版是這樣寫的：
void send(to, from, count) register short *to, *from; register int count; { /* count > 0 assumed */ do { *to++ = *from++; } while (--count > 0); }
這段代碼等價於：
void send(register short* to, register short* from, register int count) { /* count > 0 assumed */ do { *to++ = *from++; } while (--count > 0); }
但是在這種使用場景下，不易於移植和應用，然后他就更新了第二版，代碼如下：
void send2(short* to, short* from, int count) { int n = count / 8; do { *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; *to++ = *from++; } while (--n > 0); }
這種寫法減少了比較次數，在匯編層面單純講到下面代碼的時候
do... while(--count > 0)
總共有6條指令。大家可以用godbolt.org/ 測一下。如下(匯編測試參考網上資源，大家可以自行測試)
subl $1,-4(%rbp) cmp1 $0,-4(%rgp) setg %al, testb %al,%al je ,L8 jmp ,L7
如果原始count是256，就這一部分指令減少（256-256/8）*6=（256-32）*6=1344。對應6條指令：
movl -36(%rbp),%eax leal 7(%rax),%edx testl %eax,%eax cmovs %edx,%eax sarl $3,%eax movl %eax,-4(%rbp)
但是這個版本在通用性能還不夠，count一定要是8的倍數，所以經過了這兩個版本的發展，最終才有了上述那個最終版本的誕生。雖然性能上沒有什么優化，但是最終版的達夫設備，count不局限於一定是8的倍數了！
實現機制、代碼解析
實現機制
在達夫解決這個問題的時候，當時的C語言對switch語句的規范是比較松的，在switch控制語句內，條件標號（case）可以出現在任意子語句之前，充作其前綴。
此外若未加入break語句，則在switch語句在根據條件判定，跳轉到對應的標號，並在開始執行后，控制流會一直執行到switch嵌套語句的末尾。
利用這種特性，這段代碼可以從連續地址中將count個數據復制到存儲器中，映射輸出寄存器中。
另一方面，C語言本身也對跳轉到循環內部提供了支持，因而此處的switch/case語句便可跳轉到循環內部。
代碼解析
首先說下這段代碼，編譯沒問題，我們寫個代碼如下：
#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 ); } }
根據n的不同輸入，實驗結果如下
| 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 |
這段代碼的主體還是do-while循環，但這個循環的入口點並不一定是在do那里，而是由這個switch(n)，把循環的入口定在了幾個case標號那里。
即程序的執行流程是：
程序執行到了switch的時候，就會根據n的值，直接跳轉到 case n那里，再當它執行到while那里時，就會判斷循環條件。若為真，則while循環開始，程序跳轉到do那里開始執行循環；為假，則退出循環，即程序中止。（這個swicth語句就再也沒有用了）
我們再看以下代碼，這里 count 個字節從 from 指向的數組復制到 to 指向的內存地址，是個內存映射的輸出寄存器。它把 swtich 語句和復制 8 個字節的循環交織在一起, 從而解決了剩余字節的處理問題 (當 count % 8 ！= 0)。
void send( int * to, int * from, int count) { 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 ); } }
switch內的表達式計算被8除的余數。執行開始於while循環內的哪個位置由這個余數決定，直到最終循環退出（沒有break）。Duff's Device這樣就簡單漂亮地解決了邊界條件的問題。
性能表現
我們一般使用用for循環或者while循環的時候，如果執行循環內容本身用不了多少時間，本質上時間主要是消耗在了每次循環的比較語句上邊。
而事實上，比較語句是有很大優化空間的，我們假設你要循環10000次，結果你從第一次開始就不斷的比較是否達到上界值，這是不是很徒勞呢？
我們寫一個達夫設備的函數用來測試執行時間(參考網上資源，這個測試不難，不同測試會有不同效果，大家可以自行測試一下)：
int duff_device(int a) { resigter x = 0; int n = (a) / 10; switch(a%10){ case 0：do{ x++; case 9：x++; case 8：x++; case 7：x++; case 6：x++; case 5：x++; case 4：x++; case 3：x++; case 2：x++; case 1：x++; }while(--n>0) } return x; }
測試主函數如下
#include <Windows.h> #define count 999999999 long int overtime = count; int main() { printf("over %d",duff_device(overtime)); return 0; }
執行時間如下
現在我們看一下傳統的循環的執行時間,其測試代碼如下：
int classical(int a) { register x=0; do{ x ++; }while(--a>0); return x; }
測試主函數如下
#include <Windows.h> #define count 999999999 long int overtime = count; int main() { printf("over %d",classical(overtime)); return 0; }
執行時間如下
結果顯示達夫設備確實縮短了不少時間，這里x的定義是要用register關鍵字，這樣cpu就會把x盡可能存入cpu內部的寄存器，新的cpu應該會有很通用寄存器使用。
值得一提的是，針對串行復制的需求，標准C語言庫提供了memcpy函數，而其效率不會比斯特勞斯魯普版的達夫設備低，並可能包含了針對特定架構的優化，從而進一步大幅提升執行效率。
從不同角度看達夫設備
從語言的角度來看
我個人覺得這種寫法不是很值得我們借鑒。畢竟這不是符合我們“正常”邏輯的代碼，至少C/C++標准不會保證這樣的代碼一定不會出錯。
另外， 這種代碼冷知識，估計有很多人根本都沒見過，如果自己寫的代碼別人看不懂，估計會被罵的。
從算法的角度來看
我覺得達夫設備是個很高效、很值得我們去學習的東西。把一次消耗相對比較高的操作“分攤“到了多次消耗相對比較低的操作上面，就像vector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，也大大提高了程序的效率。這是值得我們去學習的。
總結
達夫設備能實現的優化效果日趨在減弱，時代在變化，語言在發展，硬件設備在變化，編譯器性能優化，除非特殊的需求下，一般還是沒必要做像這種層次的性能考量的。不過，這種奇妙的 switch-case 寫法經常研究一下還是很有樂趣的，你們覺得呢……
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