【转】Duff's Device

在看strcpy、memcpy等的实现发现用了内存对齐，每一个word拷贝一次的办法大大提高了实现效率，参加该blog（http://totoxian.iteye.com/blog/1220273）。

duff's device也是利用了类似的原理减少比较的次数来提高了效率。

前几天在网上看见了一段代码，叫做“Duff's Device”，后经验证它曾出现在Bjarne的TC++PL里面：

void send( int * to, int * from, int count) 
         //    Duff设施，有帮助的注释被有意删去了 
{ 
         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 ); 
        }  
}

代码的结构显得非常巧妙，把一个switch语句和一个do-while语句糅合在了一起。而在我看过的所有关于C和C++的书中，这样的代码都是毫无道理的。然而，无论是在VS2005还是在GCC4.1.2下，这段代码都能正确地通过编译。加上适当的main函数，它都可以正常运行。我百思不得其解。上网去查，也没查到好答案。

怎么办？先看看它的汇编代码吧，也许可以通过它的汇编代码看出它的意思。

gcc -S send.cpp

粗略地一看，汇编代码都已经上百行了，而且里面还有一个跳转表，十几个标号。一般情况下，几十行的汇编代码都已经不太好看懂了，要把这几百行汇编完全看懂，估计需要花很多时间。

既然直接来太麻烦，那就用简便一点的方法吧： 
#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 ); 
    } 
}

实验结果 n的值 程序输出 
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 
其他 (无输出)

这下终于弄清楚了。原来，那段代码的主体还是do-while循环，但这个循环的入口点并不一定是在do那里，而是由这个switch语句根据n，把循环的入口定在了几个case标号那里。也就是说，程序的执行流程是：程序一开始顺序执行，当它执行到了switch的时候，就会根据n的值，直接跳转到 case n那里（从此，这个swicth语句就再也没有用了）。程序继续顺序执行，再当它执行到while那里时，就会判断循环条件。若为真，则while循环开始，程序跳转到do那里开始执行循环（这时候由于已经没有了switch，所以后面的标号就变成普通标号了，即在没有goto语句的情况下就可以忽略掉这些标号了）；为假，则退出循环，即程序中止。

忙活了几个小时，终于明白这段代码是怎么回事了。回想一下，自己以前也曾写过类似C的语法但比C语法简单很多的解释器，用的是递归子程序法。而如果用递归下降法来分析这段代码，是肯定会有问题的。

至于它是怎么正确编译并运行的，这需要去研究一下C编译器，这个以后再说。现在，还是再来看看达夫设备吧。其实，这个send函数的签名就已经很具有提示性了：把from数组中的元素拷贝count个到to里面去。于是有人会说，这个工作简单，不就这样吗： 
void my_send( int   * to,  int   * from,  int  count) 
{ 
     for  ( int  i  =   0 ; i  !=  count;  ++ i)  { 
         * to ++   =   * from ++ ; 
    } 
}

这段代码的确很简洁，也是正确的，而且生成的机器码也比send函数短很多。但是却忽略了一个因素：执行效率。计算一下就可以知道，my_send函数里面的循环条件，即i和count的比较运算的次数，是达夫设备的8倍！在做整数赋值这种耗时很少的工作时，这种耗时相对较高的比较工作是会大大地影响函数整体的效率的。达夫设备则是一种非常巧妙的解决办法（当然，它利用到了编译器的一些实现上的工作），而且如果把8换成更大的数的话，效率就还可以提高！

它的思路是这样的：把原数组以8个int为单位分成若干个小组，复制的时候以小组为单位复制，即一次复制8个 int。也就是说，在my_send函数中以一次比较运算的代价换来1个int的复制，而在达夫设备中，却能以一次比较运算的代价换来8个int的复制。而switch语句则是用来处理分组时剩下的不到8个的int（这些剩余的不是数组最后的，而是数组最开始的），很巧妙。

总结：像达夫设备这样的代码，从语言的角度来看，我个人觉得不值得我们借鉴。因为这毕竟不是“正常”的代码，至少C/C++标准不会保证这样的代码一定不会出错。另外，这种代码估计有很多人根本都没见过，如果自己写的代码别人看不懂，这也会是一件很让人头疼的事。然而，从算法的角度来看，我觉得达夫设备是个很高效、很值得我们去学习的东西。把一次消耗相对比较高的操作“分摊“到了多次消耗相对比较低的操作上面，就像vector<T>中实现可变长度的数组的思想那样，节省了大量的机器资源，也大大提高了程序的效率。这是值得我们学习的。