《代码之美》——代码只不过是一种聪明的数据
引言
数据只不过是一种笨程序。
——Bill Gosper
今天看了《代码之美》的第八章--图像处理中的即时代码生成。感觉印象深刻。倒不是程序代码写得有多么牛，而是他程序中透露的那样一种思想，这才是这一章的亮点。
这学期刚学了编译原理，也学了计算机组成原理。感觉这篇文章很好得将这样两个学科结合到了一起。尤其对编译原理有了更深层次的理解，不会像以往那样觉得编译原理就是专门用来写编译器的，就是用来将C，C++，Java等语言编译成目标代码的软件。看了Charles Petzold的文章，发现编译原理原来在程序中可以这么用。编译居然还映射出了数据和程序之间的千丝万缕的联系。
理解
其实在组成原理里面我们已经知道了，程序和数据其实是一样的，都是一串二进制数字，而且对于冯诺依曼架构而言，也都是存储在内存中。那么计算机是如何区分，那些是程序哪些是数据的呢？这个就要求微程序的控制，这些都是在计算机硬件中设定好的。哪些时刻总线上存放的是数据，哪些时刻总线上存放的是程序，这些计算机都可以预先知道。从而达到将程序与数据的分离。
相信学过的对这个图应该不陌生吧。数据和我们写的程序都会被存放在内存中，由操作控制器的操作控制信号来控制读取。于是我们发现程序与数据其实就是一个时序上的问题，如果时序提前了或者滞后了。那么我们的数据将会变成程序，这就是为什么会出现一种病毒，他的工作机制就是一直往数据段里面写内容，直达内容溢出，然后进入程序段，这个时候如果计算机没有溢出保护的话，继续写入的内容就会被计算机当做程序处理，而不是数据。而这些程序恰恰是那些病毒程序。
实用的例子
在第八章中，Charles Petzold给出了一个特别有意思的例子。是关于图像处理的。刚好我也正在研究这方面所以也特别关注。图像处理现在最棘手的要数图像处理的效率问题，面对成千上万的像素任何一个小小的操作都会影响大局。就像当今的中国，那两道算术题。我们也可以说，任何一个小小的操作乘以一百万都是效率上的大问题。
对于图像的滤波操作更是如此，这个操作总是针对整张图像的。然而滤波矩阵数量繁多，我们总是希望一劳永逸，于是总会偏向于写那些泛化的方法。就像我，还写了一个Filter的类来构造Filter，并且当做参数传入。为了达到通用，我们不得不为Filter写上这样一个循环：
public void FilterMethodCS(byte[] src, byte[] dst, int stride, int bytesPerPixel)
{
int cBytes = src.Length;
int cFilter = filter.Length;
for (int iDst = 0; iDst < cBytes; iDst++)
{
double pixelsAccum = 0;
double filterAccum = 0;
for (int iFilter = 0; iFilter < cFilter; iFilter++)
{
int yFilter = iFilter / cyFilter;
int xFilter = iFilter % cxFilter;
int iSrc = iDst + stride * (yFilter - cyFilter / 2) + bytesPerPixel * (xFilter - cxFilter / 2);
if (iSrc >= 0 && iSrc < cBytes)
{
pixelsAccum += filter[iFilter] * src[iSrc];
filterAccum += filter[iFilter];
}
}
if (filterAccum != 0)
pixelsAccum /= filterAccum;
dst[iDst] = pixelsAccum < 0 ? (byte)0 : (pixelsAccum > 255 ? (byte)255 : (byte)pixelsAccum);
}
}
就是第二个For循环。这样我们可以针对所有的滤波矩阵通用这段代码。
然而你实际试试就知道这样的效率是不高的。里面有大量的无用的操作，例如如果滤波器中的莫一项为0或者1，是不需要乘法的。但这样的无用操作在我们平时的代码中是很常见的，原因很简单，CPU速度快，这样根本不会影响什么。但是图像处理就不一样了。面对百万级的基数，你不得不节约指令条数。于是我们引入了编译原理动态生成可执行的代码，将我们需要的Filter硬编码化，以提高效率。
经常会有人说C#效率低，那是因为C#泛化弄得太优秀了。呵呵。就是他考虑到的比你用到的东西多多了，以至于效率的降低。但是如果能动态得生成所需要的代码，针对特殊情况特殊优化代码，那么其实C#的效率还是挺高的。看下面这段代码：
public void FilterMethodIL(byte[] src, byte[] dst, int stride, int bytesPerPixel)
{
int cBytes = src.Length;
DynamicMethod dynameth = new DynamicMethod("Go", typeof(void), new Type[] { typeof(byte[]), typeof(byte[]) }, GetType());
ILGenerator generator = dynameth.GetILGenerator();
//声明局部变量
generator.DeclareLocal(typeof(int)); //索引0 iDst
generator.DeclareLocal(typeof(double)); //索引1 pixelsAccum
generator.DeclareLocal(typeof(double)); //索引2 filterAccum
//局部变量初始化
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4_0); //将整数0存入求值栈
generator.Emit(OpCodes.Stloc_0); //将求值栈第一个元素放入第一个变量iDst中
//循环头标记
Label labelTop = generator.DefineLabel();
generator.MarkLabel(labelTop);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, 0.0); //将实数0.0存入求值栈
generator.Emit(OpCodes.Dup); //复制一份
generator.Emit(OpCodes.Stloc_1); //初始化pixelsAccum
generator.Emit(OpCodes.Stloc_2); //初始化filterAccum
//构造filter运算
for (int iFilter = 0; iFilter < filter.Length; iFilter++)
{
if (filter[iFilter] == 0)
{
continue;
}
int xFilter = iFilter % cxFilter;
int yFilter = iFilter / cxFilter;
int offset = stride * (yFilter - cyFilter / 2) + bytesPerPixel * (xFilter - cxFilter / 2);
//将src数组的引用压入求值栈
generator.Emit(OpCodes.Ldarg_0);
//三个标记
Label labelLessThanZero = generator.DefineLabel();
Label labelGreaterThan = generator.DefineLabel();
Label labelLoopBottom = generator.DefineLabel();
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_0); //iDec局部变量入栈
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4, offset); //将offset入栈
generator.Emit(OpCodes.Add); //des下标与offset相加
generator.Emit(OpCodes.Dup); //复制两次
generator.Emit(OpCodes.Dup);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4_0); //0入栈
generator.Emit(OpCodes.Blt_S, labelLessThanZero);//比较下标与0大小
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4, cBytes); //cBytes入栈
generator.Emit(OpCodes.Bge_S, labelGreaterThan);//比较下标与总字节数大小
generator.Emit(OpCodes.Ldelem_U1); //通过下标访问数组
generator.Emit(OpCodes.Conv_R8); //将取回的值转换成实数
if (filter[iFilter] == 1)
{
//已在栈中,不做处理
}
else if (filter[iFilter] == -1)
{
generator.Emit(OpCodes.Neg); //快速求负
}
else
{
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, filter[iFilter]); //filter[iFilter]入栈
generator.Emit(OpCodes.Mul); //求乘积
}
//pixelsAccum加上算出的值
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_1);
generator.Emit(OpCodes.Add);
generator.Emit(OpCodes.Stloc_1);
//filterAccum加上filter对应项的值
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, filter[iFilter]);
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_2);
generator.Emit(OpCodes.Add);
generator.Emit(OpCodes.Stloc_2);
generator.Emit(OpCodes.Br, labelLoopBottom);//跳转到结束
//小于0处理程序入口
generator.MarkLabel(labelLessThanZero);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
//大于最大像素数处理程序入口
generator.MarkLabel(labelGreaterThan);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
//循环尾部
generator.MarkLabel(labelLoopBottom);
}
generator.Emit(OpCodes.Ldarg_1);
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_0);
//定义五个标签
Label labelSkipDivide = generator.DefineLabel();
Label labelCopyQuotient = generator.DefineLabel();
Label labelBlack = generator.DefineLabel();
Label labelWhite = generator.DefineLabel();
Label labelDone = generator.DefineLabel();
//计算pixelsAccum/filterAccum
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_1);
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_2);
generator.Emit(OpCodes.Dup);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, 0.0); //包括除数为0判断
generator.Emit(OpCodes.Beq_S, labelSkipDivide);
generator.Emit(OpCodes.Div);
generator.Emit(OpCodes.Br_S, labelCopyQuotient);
//除数为0处理
generator.MarkLabel(labelSkipDivide);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
generator.MarkLabel(labelCopyQuotient);
generator.Emit(OpCodes.Dup);
generator.Emit(OpCodes.Dup);
//像素值小于0,置0
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, 0.0);
generator.Emit(OpCodes.Blt_S, labelBlack);
//像素值大于255,置255
generator.Emit(OpCodes.Ldc_R8, 255.0);
generator.Emit(OpCodes.Bgt_S, labelWhite);
generator.Emit(OpCodes.Conv_U1);
generator.Emit(OpCodes.Br_S, labelDone);
//像素值置0
generator.MarkLabel(labelBlack);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4_S, 0);
generator.Emit(OpCodes.Br_S, labelDone);
//像素值置255
generator.MarkLabel(labelWhite);
generator.Emit(OpCodes.Pop);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4_S, 255);
generator.MarkLabel(labelDone);
//存入dst数组
generator.Emit(OpCodes.Stelem_I1);
//iDst自增
generator.Emit(OpCodes.Ldloc_0);
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4_1);
generator.Emit(OpCodes.Add);
generator.Emit(OpCodes.Dup);
generator.Emit(OpCodes.Stloc_0);
//循环判断条件
generator.Emit(OpCodes.Ldc_I4, cBytes);
generator.Emit(OpCodes.Blt, labelTop);
generator.Emit(OpCodes.Ret);
//调用动态函数
dynameth.Invoke(this, new object[] { src, dst });
}
这个动态函数的生成就调用了.NET下IL语言。在JIT的帮助下，我们可以动态得生成我们所需要的函数，达到函数硬编码的目的，这样不仅效率提高了，而且也不会丢失通用性。
具体的OpCodes可以参考：http://msdn2.microsoft.com/library/system.reflection.emit.opcodes.aspx
