4. 循环倒置

任务目标

在嵌入式循环中，若每次迭代都执行与循环无关的条件判断，分支预测器会因结果不稳定而产生惩罚。本案例通过循环倒置（将条件判断移出循环体）消除冗余分支，以时间换空间效率。目标：给定一组传感器数据，统计其中超过阈值的个数，并计算所有数据的平均值——但阈值判断与平均值计算互不依赖，因此可拆分为两个独立循环，使每个循环内部无分支。

核心实现

#include <stdint.h>

#define N 128

// 原始版本：单循环内包含分支
uint32_t count_over_threshold_v1(const int16_t *data, int16_t threshold) {
    uint32_t cnt = 0;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        if (data[i] > threshold) {   // 每次迭代都判断
            cnt++;
        }
    }
    return cnt;
}

// 循环倒置版本：先统计，再累加，循环内无分支
uint32_t count_over_threshold_v2(const int16_t *data, int16_t threshold) {
    uint32_t cnt = 0;
    // 第一遍：只做比较，无分支（利用比较结果直接加0或1）
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        cnt += (data[i] > threshold) ? 1u : 0u;
    }
    return cnt;
}

// 若需同时计算平均值，可进一步拆分：
int32_t sum_all(const int16_t *data) {
    int32_t sum = 0;
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        sum += data[i];   // 无分支
    }
    return sum;
}

关键说明

上述v2版本通过算术化分支（将if转换为三元运算符）使编译器可生成无跳转的SETcc指令或条件移动，从而避免分支预测失败。若目标平台支持__builtin_expect或SIMD，可进一步优化，但此处保持最小可复现实现。

运行与验证

// 测试代码（需包含上述函数）
#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int main() {
    int16_t data[N];
    for (int i = 0; i < N; i++) {
        data[i] = (int16_t)(i * 3 - 100);  // 确定性输入
    }
    int16_t th = 50;
    uint32_t c1 = count_over_threshold_v1(data, th);
    uint32_t c2 = count_over_threshold_v2(data, th);
    assert(c1 == c2);  // 功能等价验证
    printf("v1=%u, v2=%u, 结果一致\n", c1, c2);
    return 0;
}

编译与运行：

gcc -O2 -o loop_invert loop_invert.c && ./loop_invert

通过条件：程序输出v1=26, v2=26（因i*3-100>50即i>50，共128-51=77个？实际计算：i=51时值为53>50，故从51到127共77个）。预期输出：v1=77, v2=77, 结果一致。若需观察分支优化效果，可反汇编对比v1与v2的循环体指令数。

性能对比方法

在目标嵌入式平台（如Cortex-M4）上，可用DWT->CYCCNT寄存器测量两版本执行周期数。通常v2比v1少约20%~30%周期（取决于数据分布）。但本案例不提供实测数据，仅说明测量方法：初始化DWT后，分别对两函数运行1000次取平均周期差。

注意事项：循环倒置适用于循环次数已知且较大的场景。若循环体本身极短（如仅2~3条指令），分支开销占比高，收益明显；若循环次数少（<5），则可能因代码体积增加而得不偿失。本案例中N=128为典型嵌入式传感器批次大小。