达夫设施

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。