Duff's Device 解析：C/C++ 循环展优化技术

Duff’s Device

Duff’s Device 是一种独特的循环展开优化技术，由 Tom Duff 在 1983 年发明。本文将深入探讨这种技术的工作原理，以及如何在实际开发中应用它来提升程序性能。

本文主要介绍 Duff’s device 这个知识点，这是一种 C 语言中使用的优化技术，主要用于 加速循环展开和减少循环条件判断的开销。它是由 Tom Duff 在 1983 年发明的，最初用作优化图形处理代码。

循环展开的基本思想是通过 减少循环条件判断的次数 来减少循环中执行的指令数量，有时可以减少在循环中花费的时间。

直接看一段伪代码，常规的我们循环展开的代码就像这样，step 为 1，在 while 循环中逐个判断条件，如果 count 为 80，那就需要循环 80 次条件判断。

send(to, from, count);
register short *to, *from;
register count;
{
    do {                          /* count > 0 assumed */
        *to = *from++;
    } while (--count > 0);
}

条件判断是有开销的，条件判断次数越多，开销肯定越大。

有没有办法减少循环判断条件的次数？如果计数总是可以被 8 整除，可以考虑将这个循环展开 8 倍：

send(to, from, count)
register short *to, *from;
register count;
{
    register n = count / 8;
    do {
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
        *to = *from++;
    } while (--n > 0);
}

这样其实就可以将条件判断的开销降低 8 倍。

上面虽然可以将开销降低 8 倍，但是有个前提条件，循环的次数一定要可以被 8 整除，但实际使用时，可不能保证循环次数一定是 8 的整数倍，这样的代码使用起来太受限了，如何解决呢？

Duff 意识到，为了处理计数不能被 8 整除的情况，可以通过交错使用 switch 语句和循环的结构来实现汇编程序员跳入循环体的技术，将 switch 的 case 标签放在循环体中对应于 count/8 余数的位置：

send(to, from, count)
register short *to, *from;
register count;
{
    register 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);
    }
}

Duff’s Device 同样可以应用于任何其他大小的展开循环，不仅仅是上面示例中的 8 的倍数，你也可以改成其他数字。

你可能会问，减少了 while 循环条件的判断，但是增加了 switch 判断的次数，这不也会增加开销吗，其实不会，因为编译器会对这种连续数字或者间隔很小数字的 switch 做优化，会自动去掉条件判断的指令。

具体可以看我之前分享过的文章，分支预测

现在的意义

它已经过时了，成了纯粹的历史遗迹和面试谈资。

在现代开发中，绝对不建议这么写。首先它极度破坏可读性；其次，现代编译器（如 GCC 或 Clang）非常聪明，只要你开启了 -O2 或 -O3 优化，编译器会自动帮你完成这种循环展开，甚至会利用 SIMD 指令进行更深度的硬件优化，效果比手写的达夫设备好得多。