C语言|提升字符串格式化效率的小技巧

一、前言

在嵌入式项目开发中，字符串格式化是很常见的操作，我们一般都会使用 C 库中的 sprintf 系列函数来完成格式化。

从功能上来说，这是没有问题的，但是在一些时间关键场合，字符串的格式化效率会对整个系统产生显著的影响。

例如：在一个日志系统中，吞吐率是一个重要的性能指标。每个功能模块都产生了大量的日志信息，日志系统需要把时间戳添加到每条日志的头部，此时字符串的格式化效率就比较关键了。

天下武功，唯快不破！

这篇文章就专门来聊一聊把数字格式化成字符串，可以有什么更好的方法。也许技术含量不高，但是很实用！

二、最简单的格式化

#include <stdio.h>#include <string.h>#include <limits.h>#include <sys/time.h>
int main(){    char buff[32] = { 0 };    sprintf(buff, "%ld", LONG_MAX);    printf("buff = %s \n", buff);}

其中，LONG_MAX 表示 long 型数值的最大值。代码在眨眼功夫之间就执行结束了，但是如果是一百万、一千万次呢？

三、测试1：手动格式化数字

1. 获取系统时间戳函数

我的测试环境是：在 Win10 中通过 VirtualBox，安装了 Ubuntu16.04 虚拟机，使用系统自带的 gcc 编译器。

为了测试代码执行的耗时，我们写一个简单的函数：获取系统的时间戳，通过计算时间差值来看一下代码的执行速度。

// 获取系统时间戳long long getSysTimestamp(){    struct timeval tv;      gettimeofday(&tv, 0);    long long ts = (long long)tv.tv_sec * 1000000 + tv.tv_usec;    return ts; }

2. 实现格式化数字的函数

// buff: 格式化之后字符串存储地址；// value: 待格式化的数字void Long2String(char *buff, long value){    long tmp;    char tmpBuf[32] = { 0 };    // p 指向临时数组的最后一个位置    char *p = &tmpBuf[sizeof(tmpBuf) - 1];        while (value != 0)    {        tmp  = value / 10;        // 把一个数字转成 ASCII 码，放到 p 指向的位置。        // 然后 p 往前移动一个位置。        *--p = (char)('0' + (value - tmp * 10));        value = tmp;    }
    // 把临时数组中的每个字符，复制到 buff 中。    while (*p) *buff++ = *p++;}    

这个函数的过程很简单，从数字的后面开始，把每一个数字转成 ASCII 码，放到一个临时数组中(也是从后往前放)，最后统一复制到形参指针 buff 指向的空间。

int main(){    printf("long size = %d, LONG_MAX = %ld\n", sizeof(long), LONG_MAX);        // 测试 1000 万次    int  total = 1000 * 10000;    char buff1[32] = { 0 };    char buff2[32] = { 0 };
    // 测试 sprintf    long long start1 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        sprintf(buff1, "%ld", LONG_MAX);    printf("sprintf    ellapse:  %lld us \n", getSysTimestamp() - start1);
    // 测试 Long2String    long long start2 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        Long2String(buff2, LONG_MAX);    printf("Long2String ellapse: %lld us \n", getSysTimestamp() - start2);        return 0;}

4. 执行结果对比

long size = 4, LONG_MAX = 2147483647sprintf    ellapse:  1675761 us Long2String ellapse: 527728 us

也就是说：把一个 long 型数字格式化成字符串:

1. 使用 sprintf 库函数，耗时 1675761 us;
2. 使用自己写的 Long2String 函数，耗时 527728 us；

大概是 3 倍左右的差距。当然，在你的电脑上可能会得到不同的结果，这与系统的负载等有关系，可以多测试几次。

四、测试2：混合格式化字符串和数字

看起来使用自己写的 Long2String 函数执行速度更快一些，但是它有一个弊端，就是只能格式化数字。

如果我们需要把字符串和数字一起格式化成一个字符串，应该如何处理？

如果使用 sprintf 库函数，那非常方便：

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

如果继续使用 Long2String 函数，那么就要分步来格式化，例如：

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

以上两种方式都能达到目的，那执行效率如何呢？继续测试：

int main(){    printf("long size = %d, LONG_MAX = %ld\n", sizeof(long), LONG_MAX);        // 测试 1000 万 次    const char *prefix = "ZhangSan has money: ";    int  total = 1000 * 10000;    char buff1[32] = { 0 };    char buff2[32] = { 0 };
    // 测试 sprintf    long long start1 = getSysTimestamp();    for (int i = 0; i < total; ++i)        sprintf(buff1, "%s%ld", prefix, LONG_MAX);    printf("sprintf     ellapse: %lld us \n", getSysTimestamp() - start1);
    // 测试 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 \n", getSysTimestamp() - start2);        return 0;}

执行结果对比:

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

执行速度仍然是 3 倍左右的差距。就是说，即使拆分成多个步骤来执行，使用 Long2String 函数也会更快一些！

五、sprintf 的实现机制

sprintf 函数家族中，存在着一系列的函数，其底层是通过可变参数来实现的。之前写过一篇文章一个printf(结构体指针)引发的血案，其中的第四部分，使用图片详细描述了可变参数的实现原理，摘抄如下。

1. 可变参数的几个宏定义

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 就是一个 char* 型指针。

2. 可变参数的处理过程

我们以刚才的示例 my_printf_int 函数为例，重新贴一下：

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("\n");}
int main(){    int a = 1, b = 2, c = 3;    my_printf_int(3, a, b, c);}

Step1: 函数调用时

C语言中函数调用时，参数是从右到左、逐个压入到栈中的，因此在进入 my_printf_int 的函数体中时，栈中的布局如下:

Step2: 执行 va_start

va_start(arg, num);

把上面这语句，带入下面这宏定义：

#define _crt_va_start(ap,v)  ( ap = (va_list)_ADDRESSOF(v) + _INTSIZEOF(v) )

宏扩展之后得到：

arg = (char *)num + sizeof(num);

结合下面的图来分析一下：首先通过 _ADDRESSOF 得到 num 的地址 0x01020300，然后强转成 char* 类型，再然后加上 num 占据的字节数(4个字节)，得到地址 0x01020304，最后把这个地址赋值给 arg，因此 arg 这个指针就指向了栈中数字 1 的那个地址，也就是第一个参数，如下图所示：

Step3: 执行 va_arg

val = va_arg(arg, int);

把上面这语句，带入下面这宏定义：

#define _crt_va_arg(ap,t)    ( *(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)) )

宏扩展之后得到：

val = ( *(int *)((arg += _INTSIZEOF(int)) - _INTSIZEOF(int)) )

结合下面的图来分析一下：先把 arg 自增 int 型数据的大小(4个字节)，使得 arg = 0x01020308；然后再把这个地址(0x01020308)减去4个字节，得到的地址(0x01020304)里的这个值，强转成 int 型，赋值给 val，如下图所示：

简单理解，其实也就是：得到当前 arg 指向的 int 数据，然后把 arg 指向位于高地址处的下一个参数位置。

va_arg 可以反复调用，直到获取栈中所有的函数传入的参数。

Step4: 执行 va_end

va_end(arg);

把上面这语句，带入下面这宏定义：

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

宏扩展之后得到：

arg = (char *)0;

这就好理解了，直接把指针 arg 设置为空。因为栈中的所有动态参数被提取后，arg 的值为 0x01020310(最后一个参数的上一个地址)，如果不设置为 NULL 的话，下面使用的话就得到未知的结果，为了防止误操作，需要设置为NULL。

六、总结

这篇文章描述的格式化方法灵活性不太好，也许存在一定的局限性。但是在一些关键场景下，能明显提高执行效率。

如果文中演示代码有什么问题，或者你有更好的方法，欢迎分享给大家！