這個(gè)練習(xí)是一個(gè)腦筋急轉(zhuǎn)彎，我會(huì)向你介紹最著名的C語(yǔ)言黑魔法之一，叫做“達(dá)夫設(shè)備”，以“發(fā)明者”湯姆·達(dá)夫的名字命名。這一強(qiáng)大（或邪惡？）的代碼中，幾乎你學(xué)過(guò)的任何東西都被包裝在一個(gè)小的結(jié)構(gòu)中。弄清它的工作機(jī)制也是一個(gè)好玩的謎題。

注

C的一部分樂(lè)趣來(lái)源于這種神奇的黑魔法，但這也是使C難以使用的地方。你最好能夠了解這些技巧，因?yàn)樗麜?huì)帶給你關(guān)于C語(yǔ)言和你計(jì)算機(jī)的深入理解。但是，你應(yīng)該永遠(yuǎn)都不要使用它們，并總是追求簡(jiǎn)單易讀的代碼。

達(dá)夫設(shè)備由湯姆·達(dá)夫“發(fā)現(xiàn)”（或創(chuàng)造），它是一個(gè)C編譯器的小技巧，本來(lái)不應(yīng)該能夠正常工作。我并不想告訴你做了什么，因?yàn)檫@是一個(gè)謎題，等著你來(lái)思考并嘗試解決。你需要運(yùn)行這段代碼，之后嘗試弄清它做了什么，以及為什么可以這樣做。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include "dbg.h"

int normal_copy(char *from, char *to, int count)
{
    int i = 0;

    for(i = 0; i < count; i++) {
        to[i] = from[i];
    }

    return i;
}

int duffs_device(char *from, char *to, int count)
{
    {
        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);
        }
    }

    return count;
}

int zeds_device(char *from, char *to, int count)
{
    {
        int n = (count + 7) / 8;

        switch(count % 8) {
            case 0:
            again: *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++;
                    if(--n > 0) goto again;
        }
    }

    return count;
}

int valid_copy(char *data, int count, char expects)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < count; i++) {
        if(data[i] != expects) {
            log_err("[%d] %c != %c", i, data[i], expects);
            return 0;
        }
    }

    return 1;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    char from[1000] = {'a'};
    char to[1000] = {'c'};
    int rc = 0;

    // setup the from to have some stuff
    memset(from, 'x', 1000);
    // set it to a failure mode
    memset(to, 'y', 1000);
    check(valid_copy(to, 1000, 'y'), "Not initialized right.");

    // use normal copy to 
    rc = normal_copy(from, to, 1000);
    check(rc == 1000, "Normal copy failed: %d", rc);
    check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Normal copy failed.");

    // reset
    memset(to, 'y', 1000);

    // duffs version
    rc = duffs_device(from, to, 1000);
    check(rc == 1000, "Duff's device failed: %d", rc);
    check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Duff's device failed copy.");

    // reset
    memset(to, 'y', 1000);

    // my version
    rc = zeds_device(from, to, 1000);
    check(rc == 1000, "Zed's device failed: %d", rc);
    check(valid_copy(to, 1000, 'x'), "Zed's device failed copy.");

    return 0;
error:
    return 1;
}

這段代碼中我編寫(xiě)了三個(gè)版本的復(fù)制函數(shù)：

normal_copy

使用普通的for循環(huán)來(lái)將字符從一個(gè)數(shù)組復(fù)制到另一個(gè)。

duffs_device

這個(gè)就是稱(chēng)為“達(dá)夫設(shè)備”的腦筋急轉(zhuǎn)彎，以湯姆·達(dá)夫的名字命名。這段有趣的邪惡代碼應(yīng)歸咎于他。

zeds_device

“達(dá)夫設(shè)備”的另一個(gè)版本，其中使用了goto來(lái)讓你發(fā)現(xiàn)一些線索，關(guān)于duffs_device中奇怪的do-while做了什么。

在往下學(xué)習(xí)之前仔細(xì)了解這三個(gè)函數(shù)，并試著自己解釋代碼都做了什么。

你會(huì)看到什么

這個(gè)程序沒(méi)有任何輸出，它只會(huì)執(zhí)行并退出。你應(yīng)當(dāng)在Valgrind下運(yùn)行它并確保沒(méi)有任何錯(cuò)誤。

解決謎題

首先需要了解的一件事，就是C對(duì)于它的一些語(yǔ)法是弱檢查的。這就是你可以將do-while的一部分放入switch語(yǔ)句的一部分的原因，并且在其它地方的另一部分還可以正常工作。如果你觀察帶有goto again的我的版本，它實(shí)際上更清晰地解釋了工作原理，但要確保你理解了這一部分是如何工作的。

第二件事是switch語(yǔ)句的默認(rèn)貫穿機(jī)制可以讓你跳到指定的case，并且繼續(xù)運(yùn)行知道switch結(jié)束。

最后的線索是count % 8以及頂端對(duì)n的計(jì)算。

現(xiàn)在，要理解這些函數(shù)的工作原理，需要完成下列事情：

• 將代碼抄寫(xiě)在一張紙上。
• 當(dāng)每個(gè)變量在switch之前初始化時(shí)，在紙的空白區(qū)域，把每個(gè)變量列在表中。
• 按照switch的邏輯模擬執(zhí)行代碼，之后再正確的case處跳出。
• 更新變量表，包括to、from和它們所指向的數(shù)組。
• 當(dāng)你到達(dá)while或者我的goto時(shí)，檢查你的變量，之后按照邏輯返回do-while頂端，或者again標(biāo)簽所在的地方。
• 繼續(xù)這一手動(dòng)的執(zhí)行過(guò)程，更新變量，直到確定明白了代碼如何運(yùn)作。

為什么寫(xiě)成這樣？

當(dāng)你弄明白它的實(shí)際工作原理時(shí)，最終的問(wèn)題是：?jiǎn)柺裁匆汛a寫(xiě)成這樣？這個(gè)小技巧的目的是手動(dòng)編寫(xiě)“循環(huán)展開(kāi)”。大而長(zhǎng)的循環(huán)會(huì)非常慢，所以提升速度的一個(gè)方法就是找到循環(huán)中某個(gè)固定的部分，之后在循環(huán)中復(fù)制代碼，序列化地展開(kāi)。例如，如果你知道一個(gè)循環(huán)會(huì)執(zhí)行至少20次，你就可以將這20次的內(nèi)容直接寫(xiě)在源代碼中。

達(dá)夫設(shè)備通過(guò)將循環(huán)展開(kāi)為8個(gè)迭代塊，來(lái)完成這件事情。這是個(gè)聰明的辦法，并且可以正常工作。但是目前一個(gè)好的編譯器也會(huì)為你完成這些。你不應(yīng)該這樣做，除非少數(shù)情況下你證明了它的確可以提升速度。

附加題

• 不要再這樣寫(xiě)代碼了。
• 查詢(xún)維基百科的“達(dá)夫設(shè)備”詞條，并且看看你能不能找到錯(cuò)誤。將它與這里的版本對(duì)比，并且閱讀文章來(lái)試著理解，為什么維基百科上的代碼在你這里不能正常工作，但是對(duì)于湯姆·達(dá)夫可以。
• 創(chuàng)建一些宏，來(lái)自動(dòng)完成任意長(zhǎng)度的這種設(shè)備。例如，你想創(chuàng)建32個(gè)case語(yǔ)句，并且不想手動(dòng)把它們都寫(xiě)出來(lái)時(shí)，你會(huì)怎么辦？你可以編寫(xiě)一次展開(kāi)8個(gè)的宏嗎？
• 修改main函數(shù)，執(zhí)行一些速度檢測(cè)，來(lái)看看哪個(gè)實(shí)際上更快。
• 查詢(xún)memcpy、memmove和memset，并且也比較一下它們的速度。
• 不要再這樣寫(xiě)代碼了！