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C语言高性能交换两个变量的值

article 2025/3/6 18:59:27

1. 使用临时变量

这是最经典的交换方法，适用于所有数据类型。

void swap(int *a, int *b) 
{
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

性能分析：
优点：简单、通用，适用于所有数据类型。
缺点：需要额外的栈空间存储临时变量。
适用场景：通用场景，性能要求不高的代码。

2. 使用算术运算

通过加减法或乘除法交换值，无需临时变量。

void swap(int *a, int *b) 
{
    *a = *a + *b;
    *b = *a - *b;
    *a = *a - *b;
}

性能分析：
优点：无需临时变量，节省栈空间。
缺点：
可能会导致整数溢出。
仅适用于数值类型（如 int、float 等）。
适用场景：对性能要求较高且能确保不会溢出的场景。

3. 使用位运算

通过异或运算（^）交换值，无需临时变量。

void swap(int *a, int *b) 
{
    *a = *a ^ *b;
    *b = *a ^ *b;
    *a = *a ^ *b;
}

性能分析：
优点：
无需临时变量，节省栈空间。
不会导致整数溢出。
缺点：
仅适用于整数类型。
代码可读性较差。
适用场景：对性能要求极高且数据类型为整数的场景。

4. 使用内联汇编

直接使用汇编指令交换值，适用于对性能要求极高的场景。

void swap(int *a, int *b) 
{
    __asm__ volatile (
        "xorl %1, %0\n\t"  // a = a ^ b
        "xorl %0, %1\n\t"  // b = a ^ b
        "xorl %1, %0"      // a = a ^ b
        : "+r" (*a), "+r" (*b)
    );
}

性能分析：
优点：
性能最高，直接操作 CPU 寄存器。
无需临时变量。
缺点：
代码可移植性差，仅适用于特定架构（如 x86）。
可读性差，难以维护。
适用场景：对性能要求极高的嵌入式系统或底层开发。

5. 使用标准库函数

C 标准库提供了 memcpy 函数，可以用于交换任意类型的数据。

void swap(void *a, void *b, size_t size) 
{
    char temp[size];
    memcpy(temp, a, size);
    memcpy(a, b, size);
    memcpy(b, temp, size);
}

性能分析：
优点：
适用于任意数据类型。
代码简洁。
缺点：
需要额外的栈空间存储临时变量。
性能较低，尤其是对于小数据类型。
适用场景：需要交换复杂数据类型（如结构体）的场景。

6. 使用 C11 泛型

C11 引入了 _Generic 关键字，可以实现类型安全的交换函数。

#define swap(x, y) _Generic((x), \
    int: swap_int, \
    float: swap_float, \
    double: swap_double \
)(&x, &y)

void swap_int(int *a, int *b) 
{
    int temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

void swap_float(float *a, float *b) 
{
    float temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

void swap_double(double *a, double *b) 
{
    double temp = *a;
    *a = *b;
    *b = temp;
}

性能分析：
优点：
类型安全，支持多种数据类型。
代码可读性较好。
缺点：
需要为每种数据类型实现单独的交换函数。
性能与临时变量方法相同。
适用场景：需要支持多种数据类型的通用代码。

性能对比

以下是几种方法的性能对比（假设在 x86 架构上）：

方法	性能	适用场景
临时变量	中等	通用场景
算术运算	较高	数值类型，无溢出风险
位运算	高	整数类型
内联汇编	最高	对性能要求极高的底层开发
标准库函数	较低	复杂数据类型
C11 泛型	中等	需要支持多种数据类型的场景