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作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。
别人的经验，我们的阶梯！
今天和同事一起调代码，定位到一处很耗时的地方。
在某个线程中，同步周期需要保证在2毫秒(如果耗时不到2毫秒，那么就让剩下的时间进行sleep)。
但是在调用一个模块的内部函数时，时不时的就飘到了3~5毫秒，时间抖动毫无保证。
后来仔细分析了一下被调用的函数，发现是在查找链表中某个目标节点时，由于目标节点的不确定性，导致耗时飘来飘去。
后来想到是否可以用"哨兵"的思路来解决问题，于是就试了一下，果然有效。
特分享于此，使用2段代码来看一下代码执行效率的提升。
普通的算法
所谓的哨兵，就是一个标志，一个与查找目标对象一样的操作对象。
以前有一本书中举过这样的一个例子：假如有10000个纸箱，每个箱子里面都有一张纸条，纸条上写有1 ~ 10000这些数字，数字不会重复。
现在：别人给了一个随机的数字，我们需要在这10000个箱子里找到与这个数字相同的纸条，找到之后退出操作。
面对这个问题，最直觉的想法就是：从头开始，遍历这10000个箱子，检查其中的纸条上数字是否与目标相同。
因为纸箱里的纸条不是按照顺序排列的，所以只能从头开始遍历;
大概就是下面这个样子：
int lookfor_num = xxx;
for (int i = 0; i < 10000; ++i)
{
if (box[i] == lookfor_num)
{
printf("找到了！箱子编号是：%d \n", i);
break;
}
}
从上面这段示意性代码中可以看出，在for循环中主要有2个比较指令：
比较箱子的编号 i 是否到了最后一个箱子;
比较箱子里的纸条上数字，是否与要查找的目标数字相同;
为了便于量化问题，我们写一个测试代码，打印出for循环的时间消耗。
为了便于客观比较，在测试代码中：
循环次数设置为 1000000 万次;
箱子里纸条上的数字按顺序存放，不影响讨论问题的本质;
查找的数字设置为一个中间值 500000;
测试文件：loop1.c
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#define LOOP_NUM 1000000
int main(int argc, char *argv[])
{
long data[LOOP_NUM];
long rand_num = 500000;
struct timeval tv1, tv2;
for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
data[i] = i;
}
gettimeofday(&tv1, 0);
for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
if (data[i] == rand_num)
{
printf("hit rand_num. i = %ld \n", i);
break;
}
}
gettimeofday(&tv2, 0);
long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;
long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1);
return 0;
}
编译：gcc loop1.c -o loop1
执行：
耗时大概在1350 ~ 1380微秒左右。
哨兵算法
哨兵算法的主要思想就是：降低在for循环中的比较操作。
因为纸箱的数量是有限的，上面的代码中，在还没有找到目标数字之前，需要对纸箱的序号进行检查：以免超过了最大的纸箱。
我们可以在最后额外添加一个纸箱，并且在其中存放我们查找的目标数字，额外添加的这个纸箱就叫做哨兵！
这样的话，在for循环中，就不需要检查当前这个纸箱序号是否超过了最大的纸箱。
因为：我们在哨兵纸箱中放了被查找的那个数字，所以是一定能够找到目标数字的：要么是在前面的纸箱中, 要么是在哨兵纸箱中！
因此，在for循环中，就只需要比较纸条上的数字，而不用比较纸箱的序号是否达到最后一个了。
当找到目标数字之后，唯一要多做的步骤是：检查这个箱子是否为哨兵纸箱。
如果是哨兵纸箱：说明前面的纸箱中没有查找到目标数字；
如果不是哨兵纸箱：说明在前面的纸箱中查找到了目标数字；
测试代码loop2.c：
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#define LOOP_NUM 1000000
int main(int argc, char *argv[])
{
long data[LOOP_NUM + 1]; // add another room
long rand_num = 500000;
struct timeval tv1, tv2;
for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
data[i] = i;
}
data[LOOP_NUM] = rand_num; // add a sentinel
gettimeofday(&tv1, 0);
long i = 0;
while (1)
{
if (data[i] == rand_num)
{
if (i != LOOP_NUM)
{
printf("hit rand_num. i = %ld \n", i);
break;
}
}
++i;
}
gettimeofday(&tv2, 0);
long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;
long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;
printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1);
return 0;
}
编译：gcc loop2.c -o loop2
执行：
耗时大概在960 ~ 990微秒之间。
小结
这篇短文仅仅是用for循环来讨论哨兵的编程思想。
在其它的一些编程场景中，应用的机会还是挺多的，也能够非常显著的提升代码的执行效率。
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