练习23：认识达夫设备

原文：Exercise 23: Meet Duff’s Device

译者：飞龙

这个练习是一个脑筋急转弯，我会向你介绍最著名的C语言黑魔法之一，叫做“达夫设备”，以“发明者”汤姆·达夫的名字命名。这一强大（或邪恶？）的代码中，几乎你学过的任何东西都被包装在一个小的结构中。弄清它的工作机制也是一个好玩的谜题。

注

C的一部分乐趣来源于这种神奇的黑魔法，但这也是使C难以使用的地方。你最好能够了解这些技巧，因为他会带给你关于C语言和你计算机的深入理解。但是，你应该永远都不要使用它们，并总是追求简单易读的代码。

达夫设备由汤姆·达夫“发现”（或创造），它是一个C编译器的小技巧，本来不应该能够正常工作。我并不想告诉你做了什么，因为这是一个谜题，等着你来思考并尝试解决。你需要运行这段代码，之后尝试弄清它做了什么，以及为什么可以这样做。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <string.h>
  3. #include "dbg.h"
  6. int normal_copy(char *from, char *to, int count)
  7. {
  8.     int i = 0;
  10.     for(i = 0; i < count; i++) {
  11.         to[i] = from[i];
  12.     }
  14.     return i;
  15. }
  17. int duffs_device(char *from, char *to, int count)
  18. {
  19.     {
  20.         int n = (count + 7) / 8;
  22.         switch(count % 8) {
  23.             case 0: do { *to++ = *from++;
  24.                         case 7: *to++ = *from++;
  25.                         case 6: *to++ = *from++;
  26.                         case 5: *to++ = *from++;
  27.                         case 4: *to++ = *from++;
  28.                         case 3: *to++ = *from++;
  29.                         case 2: *to++ = *from++;
  30.                         case 1: *to++ = *from++;
  31.                     } while(--n > 0);
  32.         }
  33.     }
  35.     return count;
  36. }
  38. int zeds_device(char *from, char *to, int count)
  39. {
  40.     {
  41.         int n = (count + 7) / 8;
  43.         switch(count % 8) {
  44.             case 0:
  45.             again: *to++ = *from++;
  47.             case 7: *to++ = *from++;
  48.             case 6: *to++ = *from++;
  49.             case 5: *to++ = *from++;
  50.             case 4: *to++ = *from++;
  51.             case 3: *to++ = *from++;
  52.             case 2: *to++ = *from++;
  53.             case 1: *to++ = *from++;
  54.                     if(--n > 0) goto again;
  55.         }
  56.     }
  58.     return count;
  59. }
  61. int valid_copy(char *data, int count, char expects)
  62. {
  63.     int i = 0;
  64.     for(i = 0; i < count; i++) {
  65.         if(data[i] != expects) {
  66.             log_err("[%d] %c != %c", i, data[i], expects);
  67.             return 0;
  68.         }
  69.     }
  71.     return 1;
  72. }
  75. int main(int argc, char *argv[])
  76. {
  77.     char from[1000] = {'a'};
  78.     char to[1000] = {'c'};
  79.     int rc = 0;
  81.     // setup the from to have some stuff
  82.     memset(from, 'x', 1000);
  83.     // set it to a failure mode
  84.     memset(to, 'y', 1000);
  85.     check(valid_copy(to, 1000, 'y'), "Not initialized right.");
  87.     // use normal copy to
  88.     rc = normal_copy(from, to, 1000);
  89.     check(rc == 1000, "Normal copy failed: %d", rc);
  90.     check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Normal copy failed.");
  92.     // reset
  93.     memset(to, 'y', 1000);
  95.     // duffs version
  96.     rc = duffs_device(from, to, 1000);
  97.     check(rc == 1000, "Duff's device failed: %d", rc);
  98.     check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Duff's device failed copy.");
  100.     // reset
  101.     memset(to, 'y', 1000);
  103.     // my version
  104.     rc = zeds_device(from, to, 1000);
  105.     check(rc == 1000, "Zed's device failed: %d", rc);
  106.     check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Zed's device failed copy.");
  108.     return 0;
  109. error:
  110.     return 1;
  111. }

这段代码中我编写了三个版本的复制函数：

normal_copy

使用普通的for循环来将字符从一个数组复制到另一个。

duffs_device

这个就是称为“达夫设备”的脑筋急转弯，以汤姆·达夫的名字命名。这段有趣的邪恶代码应归咎于他。

zeds_device

“达夫设备”的另一个版本，其中使用了goto来让你发现一些线索，关于duffs_device中奇怪的do-while做了什么。

在往下学习之前仔细了解这三个函数，并试着自己解释代码都做了什么。

你会看到什么

这个程序没有任何输出，它只会执行并退出。你应当在Valgrind下运行它并确保没有任何错误。

解决谜题

首先需要了解的一件事，就是C对于它的一些语法是弱检查的。这就是你可以将do-while的一部分放入switch语句的一部分的原因，并且在其它地方的另一部分还可以正常工作。如果你观察带有goto again的我的版本，它实际上更清晰地解释了工作原理，但要确保你理解了这一部分是如何工作的。

第二件事是switch语句的默认贯穿机制可以让你跳到指定的case，并且继续运行直到switch结束。

最后的线索是count % 8以及顶端对n的计算。

现在，要理解这些函数的工作原理，需要完成下列事情：

  • 将代码抄写在一张纸上。
  • 当每个变量在switch之前初始化时，在纸的空白区域，把每个变量列在表中。
  • 按照switch的逻辑模拟执行代码，之后再正确的case处跳出。
  • 更新变量表，包括to、from和它们所指向的数组。
  • 当你到达while或者我的goto时，检查你的变量，之后按照逻辑返回do-while顶端，或者again标签所在的地方。
  • 继续这一手动的执行过程，更新变量，直到确定明白了代码如何运作。

为什么写成这样？

当你弄明白它的实际工作原理时，最终的问题是：为什么要把代码写成这样？这个小技巧的目的是手动编写“循环展开”。大而长的循环会非常慢，所以提升速度的一个方法就是找到循环中某个固定的部分，之后在循环中复制代码，序列化地展开。例如，如果你知道一个循环会执行至少20次，你就可以将这20次的内容直接写在源代码中。

达夫设备通过将循环展开为8个迭代块，来完成这件事情。这是个聪明的办法，并且可以正常工作。但是目前一个好的编译器也会为你完成这些。你不应该这样做，除非少数情况下你证明了它的确可以提升速度。

附加题

  • 不要再这样写代码了。
  • 查询维基百科的“达夫设备”词条，并且看看你能不能找到错误。将它与这里的版本对比，并且阅读文章来试着理解，为什么维基百科上的代码在你这里不能正常工作，但是对于汤姆·达夫可以。
  • 创建一些宏，来自动完成任意长度的这种设备。例如，你想创建32个case语句，并且不想手动把它们都写出来时，你会怎么办？你可以编写一次展开8个的宏吗？
  • 修改main函数，执行一些速度检测，来看看哪个实际上更快。
  • 查询memcpy、memmove和memset，并且也比较一下它们的速度。
  • 不要再这样写代码了！