一、前言

二、最簡單的格式化

三、測試1:手動格式化數字

四、測試2:混合格式化字符串和數字

五、sprintf 的實現機制

六、總結

一、前言

在嵌入式項目開發(fā)中,字符串格式化是很常見的操作,我們一般都會使用 C 庫中的 sprintf 系列函數來完成格式化。

從功能上來說,這是沒有問題的,但是在一些時間關鍵場合,字符串的格式化效率會對整個系統產生顯著的影響。

例如:在一個日志系統中,吞吐率是一個重要的性能指標。每個功能模塊都產生了大量的日志信息,日志系統需要把時間戳添加到每條日志的頭部,此時字符串的格式化效率就比較關鍵了。

天下武功,唯快不破!

這篇文章就專門來聊一聊把數字格式化成字符串,可以有什么更好的方法。也許技術含量不高,但是很實用!

二、最簡單的格式化 

#include

其中,LONG_MAX 表示 long 型數值的最大值。代碼在眨眼功夫之間就執(zhí)行結束了,但是如果是一百萬、一千萬次呢?

三、測試1:手動格式化數字

 1． 獲取系統時間戳函數

我的測試環(huán)境是:在 Win10 中通過 VirtualBox,安裝了 Ubuntu16．04 虛擬機,使用系統自帶的 gcc 編譯器。

為了測試代碼執(zhí)行的耗時,我們寫一個簡單的函數:獲取系統的時間戳,通過計算時間差值來看一下代碼的執(zhí)行速度。

// 獲取系統時間戳long long getSysTimestamp(){    struct timeval tv;      gettimeofday(&tv, 0);    long long ts = (long long)tv．tv_sec * 1000000 + tv．tv_usec;    return ts; }
2． 實現格式化數字的函數// buff: 格式化之后字符串存儲地址;// value: 待格式化的數字void Long2String(char *buff, long value){    long tmp;    char tmpBuf[32] = { 0 };    // p 指向臨時數組的最后一個位置    char *p = &tmpBuf[sizeof(tmpBuf) - 1];        while (value != 0)    {        tmp  = value / 10;        // 把一個數字轉成 ASCII 碼,放到 p 指向的位置。        // 然后 p 往前移動一個位置。        *--p = (char)('0' + (value - tmp * 10));        value = tmp;    }
   // 把臨時數組中的每個字符,復制到 buff 中。    while (*p) *buff++ = *p++;}    

這個函數的過程很簡單,從數字的后面開始,把每一個數字轉成 ASCII 碼,放到一個臨時數組中(也是從后往前放),最后統一復制到形參指針 buff 指向的空間。

3． 測試代碼int main(){    printf("long size = %d, LONG_MAX = %ld", sizeof(long), LONG_MAX);        // 測試 1000 萬次    int  total = 1000 * 10000;    char buff1[32] = { 0 };    char buff2[32] = { 0 };
   // 測試 sprintf    long long start1 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        sprintf(buff1, "%ld", LONG_MAX);    printf("sprintf    ellapse:  %lld us ", getSysTimestamp() - start1);
   // 測試 Long2String    long long start2 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        Long2String(buff2, LONG_MAX);    printf("Long2String ellapse: %lld us ", getSysTimestamp() - start2);        return 0;}
4． 執(zhí)行結果對比long size = 4, LONG_MAX = 2147483647sprintf    ellapse:  1675761 us Long2String ellapse: 527728 us

也就是說:把一個 long 型數字格式化成字符串:

使用 sprintf 庫函數,耗時 1675761 us;使用自己寫的 Long2String 函數,耗時 527728 us;

大概是 3 倍左右的差距。當然,在你的電腦上可能會得到不同的結果,這與系統的負載等有關系,可以多測試幾次。

四、測試2:混合格式化字符串和數字

看起來使用自己寫的 Long2String 函數執(zhí)行速度更快一些,但是它有一個弊端,就是只能格式化數字。

如果我們需要把字符串和數字一起格式化成一個字符串,應該如何處理?

如果使用 sprintf 庫函數,那非常方便:

sprintf(buff, "%s%d", "hello", 123456);

如果繼續(xù)使用 Long2String 函數,那么就要分步來格式化,例如:

// 拆成 2 個步驟sprintf(buff, "%s", "hello");Long2String(buff + strlen(buff), 123456);

以上兩種方式都能達到目的,那執(zhí)行效率如何呢?繼續(xù)測試:

int main(){    printf("long size = %d, LONG_MAX = %ld", sizeof(long), LONG_MAX);        // 測試 1000 萬 次    const char *prefix = "ZhangSan has money: ";    int  total = 1000 * 10000;    char buff1[32] = { 0 };    char buff2[32] = { 0 };
   // 測試 sprintf    long long start1 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        sprintf(buff1, "%s%ld", prefix, LONG_MAX);    printf("sprintf     ellapse: %lld us ", getSysTimestamp() - start1);
   // 測試 Long2String    long long start2 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)    {        sprintf(buff2, "%s", prefix);        Long2String(buff2 + strlen(prefix), LONG_MAX);    }    printf("Long2String ellapse: %lld us ", getSysTimestamp() - start2);        return 0;}

執(zhí)行結果對比:

long size = 4, LONG_MAX = 2147483647sprintf     ellapse: 2477686 us Long2String ellapse: 816119 us

執(zhí)行速度仍然是 3 倍左右的差距。就是說,即使拆分成多個步驟來執(zhí)行,使用 Long2String 函數也會更快一些!

五、sprintf 的實現機制

sprintf 函數家族中,存在著一系列的函數,其底層是通過可變參數來實現的。之前寫過一篇文章一個printf(結構體指針)引發(fā)的血案,其中的第四部分,使用圖片詳細描述了可變參數的實現原理,摘抄如下。

1． 可變參數的幾個宏定義typedef char *    va_list;
#define va_start  _crt_va_start#define va_arg    _crt_va_arg  #define va_end    _crt_va_end  
#define _crt_va_start(ap,v)  ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) )  #define _crt_va_arg(ap,t)    ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )  #define _crt_va_end(ap)      ( ap = (va_list)0 )

注意:va_list 就是一個 char* 型指針。

2． 可變參數的處理過程

我們以剛才的示例 my_printf_int 函數為例,重新貼一下:

void my_printf_int(int num, ．．．) // step1{    int i, val;    va_list arg;    va_start(arg, num);         // step2    for(i = 0; i < num; i++)    {        val = va_arg(arg, int); // step3        printf("%d ", val);    }    va_end(arg);                // step4    printf("");}
int main(){    int a = 1, b = 2, c = 3;    my_printf_int(3, a, b, c);}

Step1: 函數調用時

C語言中函數調用時,參數是從右到左、逐個壓入到棧中的,因此在進入 my_printf_int 的函數體中時,棧中的布局如下:

Step2: 執(zhí)行 va_start

va_start(arg, num);

把上面這語句,帶入下面這宏定義:

#define _crt_va_start(ap,v)  ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) )
宏擴展之后得到:
arg = (char *)num + sizeof(num);

結合下面的圖來分析一下:首先通過 _ADDRESSOF 得到 num 的地址 0x01020300,然后強轉成 char* 類型,再然后加上 num 占據的字節(jié)數(4個字節(jié)),得到地址 0x01020304,最后把這個地址賦值給 arg,因此 arg 這個指針就指向了棧中數字 1 的那個地址,也就是第一個參數,如下圖所示:

Step3: 執(zhí)行 va_arg

val = va_arg(arg, int);

把上面這語句,帶入下面這宏定義:

#define _crt_va_arg(ap,t)    ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )
宏擴展之后得到:
val = ( *(int *)((arg += _INTSIZEOF(int)) - _INTSIZEOF(int)) )

結合下面的圖來分析一下:先把 arg 自增 int 型數據的大小(4個字節(jié)),使得 arg = 0x01020308;然后再把這個地址(0x01020308)減去4個字節(jié),得到的地址(0x01020304)里的這個值,強轉成 int 型,賦值給 val,如下圖所示:

簡單理解,其實也就是:得到當前 arg 指向的 int 數據,然后把 arg 指向位于高地址處的下一個參數位置。

va_arg 可以反復調用,直到獲取棧中所有的函數傳入的參數。

Step4: 執(zhí)行 va_end

va_end(arg);

把上面這語句,帶入下面這宏定義:

#define _crt_va_end(ap)      ( ap = (va_list)0 )

宏擴展之后得到:

arg = (char *)0;

這就好理解了,直接把指針 arg 設置為空。因為棧中的所有動態(tài)參數被提取后,arg 的值為 0x01020310(最后一個參數的上一個地址),如果不設置為 NULL 的話,下面使用的話就得到未知的結果,為了防止誤操作,需要設置為NULL。

六、總結

這篇文章描述的格式化方法靈活性不太好,也許存在一定的局限性。但是在一些關鍵場景下,能明顯提高執(zhí)行效率。

如果文中演示代碼有什么問題,或者你有更好的方法,歡迎分享給大家!