C代码的效率

Question

我创建了一个小程序，用于生成随机的十六进制颜色代码。 它可以编译并运行，没有错误，但是由于我是新手，所以我在质疑代码的效率并寻找可能的优化方法的解释。

这是代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    int i, r;
    time_t t;
    char hexadecimal[7];

    char* hex[16];
    hex[0] = "0";
    hex[1] = "1";
    hex[2] = "2";
    hex[3] = "3";
    hex[4] = "4";
    hex[5] = "5";
    hex[6] = "6";
    hex[7] = "7";
    hex[8] = "8";
    hex[9] = "9";
    hex[10] = "A";
    hex[11] = "B";
    hex[12] = "C";
    hex[13] = "D";
    hex[14] = "E";
    hex[15] = "F";  

    strcpy(hexadecimal, "#");

    srand((unsigned) time(&t));

    for (i = 0; i < 6; i++) {
        r = rand() % 16;
        strcat(hexadecimal, hex[r]);
    }   
    printf("%s\n", hexadecimal);

    return 0;
}

再次，该程序可以编译并运行而没有错误，但是我对此表示怀疑。 任何提示或更正将不胜感激。

Answer 1

char hexadecimal[7]; 太小，无法容纳需要8个char的字符串 "#123456" 。

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重复调用strcat(hexadecimal, hex[r]); 效率低下。 每个strcat()都可以“花费”现有字符串的长度。 要循环n次并用strcat()一个长串的n字符，需要花费O(n*n)时间。 跟踪字符串的末尾并将其附加在其中的效率更高。

然而，让我们做到这一点没有一个字符串 。

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rand()将生成一个int值[0.. RAND_MAX] 。 RAND_MAX可以小至0x7FFF或大至INT_MAX 。 例

代码正在寻找生成6 * 4位的随机数据。 因此，调用rand() 1或2次，而不是6次。

// for rand(), uint32_t, printf(), PRIX32
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlio.h>
#include <inttypes.h>

int main(void) {
  // srand() omitted for simplicity,  let OP add back in

  uint32_t r = rand();
  if (RAND_MAX < 0xFFFFFF) {
    r += r*RAND_MAX;  // like r = r*(RAND_MAX + 1) yet avoids RAND_MAX + 1 overflow
    r += rand();
  }

  // We only want 24-bits
  r &= 0xFFFFFF;
  // If RAND_MAX is a Mersenne Number  M=2^n-1, 
  // then `r` value is no more biased than `rand()`

  printf("#%06" PRIX32 "\n", r);
}

注意：执行I / O的时间通常比此代码的其余部分多100倍的时间。

Answer 2

是的，您的代码效率很低。 这是学习C语言中字符和字符串协同工作方式的好机会。知道了这一点，我们可以编写一个更紧密的版本。 它的运行速度要快得多，此外，它的编写和阅读也可能会更容易一些。

（请注意：您的hexadecimal数组太小。我们需要为'#'加上6个十六进制数字的空间，再加上终止符'\\0' 。因此它必须为char hexadecimal[8] 。）

我们将使用字符而不是字符串来构建hexadecimal字符串。 因此，让我们让它不是一个字符串数组，而不是hex是一个字符串数组：

char hex[16];
hex[0] = '0';
hex[1] = '1';
/* ... */

但是，等等，字符数组是一个字符串。 所以我们可以这样写：

char hex[16] = "0123456789ABCDEF";

要不就：

char hex[] = "0123456789ABCDEF";

（两者之间有细微的差别，但是对于此程序，无论哪种方式都没有关系。）

现在，我们不再使用strcat将hex[r]字符串连接到我们正在构建的字符串上，而是将hex[r]字符直接放置在我们正在构建的字符串中：

for (i = 0; i < 6; i++) {
    r = rand() % 16;
    hexadecimal[i+1] = hex[r];
}

您会注意到，我分配给hexadecimal[i+1] ，而不是hexadecimal[i] 。 我们必须将所有内容“向右移”一位，因为字符串已经包含了开头的'#' 。 做到这一点的另一种方法（尽管在C语言中是不常见的）是使用基于1的循环：

for (i = 1; i <= 6; i++) {
    r = rand() % 16;
    hexadecimal[i] = hex[r];
}

另外，由于我们一次要在字符串中建立一个字符，因此，我们也可以通过返回并更改来同样地以领先'#'字符

strcpy(hexadecimal, "#");

至

hexadecimal[0] = '#';

我们还有另一件事要做。 由于我们一直在手工建立一个字符串，因此我们也必须手工处理null终止：

hexadecimal[7] = '\0';

但最终，这将完成相同的操作：生成格式正确的字符串hexadecimal其中包含六个随机十六进制数字：

printf("%s\n", hexadecimal);

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而且，在我开始之前，先做一个关于效率的脚注。 我说：“是的，您的代码效率很低”，我声称重写将“快得多”地运行。 虽然这是事实，但这都是相对的。 即使是“低效”版本，其运行速度也要比您可以衡量的快得多，并且两个版本之间的差异几乎是不可察觉的。

我，我还是会写一次字符的版本，因为我是个老派的C家伙，我也这么认为。 但是，如果strcat某种原因更喜欢strcat版本-如果它更容易或更快捷地编写，或者更容易阅读，或者更容易就位，那么我们仍然可以更喜欢它，而不必担心它的版本“效率低下”。

只是为了好玩，我在笔记本电脑上编译并运行了这两个版本。 根据Unix的“时间”命令，“低效”版本占用了0.002秒的用户时间。 “更高效”的版本花费了0.002秒。 因此，不管有什么区别，它都小于一毫秒，并且被开销问题所淹没，例如程序完全启动所花费的时间。

因此，我向两个程序都添加了另一个循环，以便它们生成1,000,000个随机十六进制字符串。 现在有一个区别：低效率版本花费0.404s，高效率版本花费0.263s。 （考虑一下：一百万个随机字符串，在不到半秒钟的时间内。计算机非常非常快。）将其除掉，效率低下的版本每次迭代花费0.404÷1000000 = .000000404s，即404 纳秒 。 另一方面，高效版本仅花费263纳秒。 因此，是的，有效版本更有效-但除非您需要大量这些随机十六进制值，否则您将永远不会注意到差异。

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还有一个脚注。 生产线存在严重的潜在问题

r = rand() % 16;

最令人讨厌的是，有rand()实现在低阶位不是很随机。 因此，如果像这里一样仅抓住低位，则最终可能会得到一个完全非随机的序列，每次都经过16个值的相同序列。

解决此问题的最简单方法（假设您可以使用它）是切换到更好的random()函数：

r = random() % 16;

如果这样做，则需要使用其伴随的srandom函数：

srandom((unsigned) time(&t));

（侧面问题：当发现rand()的问题时，为什么有人不只是解决它，而不是让它坏了，而是发明一个新的但功能稍差的标准函数，效果更好，希望所有人都记得使用它呢？老实说，我不知道。）

如果您不能使用random()则可以使用其高阶位来躲避rand的问题，如下所示：

r = rand() / (RAND_MAX / 16 + 1);

另请参阅C FAQ列表 ，问题13.16和13.18 。