背景

在運(yùn)行操作軟件的，一個(gè)操作執(zhí)行太慢，需要首先分類是IO操作密集引起的問題還是CPU相關(guān)的計(jì)算密集型問題，軟件的性能優(yōu)化不管是從編碼規(guī)范還是工程項(xiàng)目實(shí)踐上來說，都有很多需要我們作為開發(fā)人員注意的方向點(diǎn)。

性能優(yōu)化的目的是為了讓程序執(zhí)行功能變得高效，但同時(shí)也不能喪失程序的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。

性能優(yōu)化是一種實(shí)驗(yàn)科學(xué)，往往是通過不斷迭代進(jìn)行，在每次優(yōu)化方案實(shí)施完畢后需要對(duì)程序的優(yōu)化前后的性能進(jìn)行對(duì)比來驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性。

下面主要從C和C++語(yǔ)言入手進(jìn)行一些代碼性能優(yōu)化上去分析，助力開發(fā)相對(duì)高性能的軟件。

理論基礎(chǔ)

影響一個(gè)軟件程序性能架構(gòu)的因素主要有兩方面分別為:硬件和軟件。

影響硬性性能方面的因素有：

• 處理計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)下存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的排列順序：
• cpu處理器中允許將多條指令不按程序規(guī)定的順序分開發(fā)送給各相應(yīng)電路單元處理的技術(shù)。
• cpu處理器中的將指令分解為多步，并讓不同指令的各步驟重疊，從而幾條指令并行處理，以加速程序運(yùn)行過程的，縮短程序執(zhí)行時(shí)間。
• cpu中允許同時(shí)取得多個(gè)任務(wù)，并同時(shí)去執(zhí)行所取得的的這些任務(wù)，并行的效率從代碼層次上強(qiáng)依賴于多進(jìn)程或多線程代碼，從硬件角度上更多依賴于多核的cpu，把每一個(gè)任務(wù)分配給每一個(gè)處理器獨(dú)立完成，在同一時(shí)間點(diǎn)，任務(wù)一定是同時(shí)運(yùn)行，并行是讓不同代碼片段同時(shí)在不同的物理處理器上執(zhí)行。
• 并發(fā)：

把任務(wù)在不同時(shí)間點(diǎn)交給處理器進(jìn)行處理。

在同一時(shí)間點(diǎn)，任務(wù)并不會(huì)同時(shí)運(yùn)行。

• 其他方面：

內(nèi)存大小、硬盤大小、網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)卡、網(wǎng)速。

影響軟件性能方面的主要因素有：

• 系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用開銷
• 編譯器優(yōu)化
• 語(yǔ)言抽象性

軟件的系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用：例如 open、read、fread、write、close、mmap、sbrk、time、gettimeofday等系統(tǒng)函數(shù)(因?yàn)樾枰ㄟ^系統(tǒng)調(diào)用來和內(nèi)核進(jìn)行交互)。

編譯器優(yōu)化：在沒有同步原語(yǔ)(包括:互斥鎖操作、內(nèi)存屏障、原子操作等等)的情況下，為了程序的性能編譯器一般可以在當(dāng)前線程的結(jié)果不變的情況下，自由調(diào)整執(zhí)行順序。

語(yǔ)言抽象性(表現(xiàn)為詞匯級(jí)和詞法級(jí)抽象) : C、C++語(yǔ)言的中間文件是obj文件，它通過在棧上分配了sizeof(obj)字節(jié)空間，它們的時(shí)間復(fù)雜度都是為0(1)，相對(duì)于C語(yǔ)言C++面向?qū)ο笾械念悪C(jī)制，涉及到類初始化時(shí)候的構(gòu)造函數(shù)調(diào)用，類結(jié)束時(shí)的析構(gòu)函數(shù)，這會(huì)給程序帶來一定性能影響。

編譯器的優(yōu)化

軟件的開發(fā)離不開編譯器工具作為基礎(chǔ)，編譯工具的合理利用也可以為程序性能提升提供助推作用。

下面從編譯器淺談下優(yōu)化的一點(diǎn)點(diǎn)思路。

1.在沒有同步原語(yǔ)(互斥鎖操作、內(nèi)存屏障、原子操作)的情況下，編譯器為了性能可以在當(dāng)前線程結(jié)果不變的情況下自由調(diào)整執(zhí)行順序。

2.在編譯器中，會(huì)自動(dòng)將語(yǔ)句進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)換例如：x=a; y=2; 可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為 y=2; x=a;再入x=y+1; y=x+2 可等價(jià)轉(zhuǎn)換為t=y; y+=3;x=t+1。

3.在編譯器中，局部變量可能會(huì)被完全消除。

4.全局變量只保證在下一個(gè)同步點(diǎn)到來之前寫回到內(nèi)存里。

5.Volatie聲明會(huì)禁止編譯器進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。

6.在編譯器中，可以使用__attribute__((noinline))防止意外內(nèi)聯(lián)。

循環(huán)中的優(yōu)化

程序使用循環(huán)語(yǔ)句，在一定情況下會(huì)大大增加計(jì)算機(jī)中CPU的運(yùn)算時(shí)間和效率。因此在程序中的性能優(yōu)化，循環(huán)語(yǔ)句是一個(gè)非常大的技術(shù)點(diǎn)需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)考慮。

下面針對(duì)循環(huán)語(yǔ)句羅列幾個(gè)優(yōu)化的思路方案。

• 把不必要的反復(fù)執(zhí)行的代碼提取到循環(huán)外面執(zhí)行。
• 對(duì)于頻繁調(diào)用的函數(shù)考慮使用宏定義替換函數(shù)，C++引入inline進(jìn)行優(yōu)化，但是有時(shí)函數(shù)體較長(zhǎng)時(shí)inline不起作用，所以可以考慮對(duì)頻繁調(diào)用的函數(shù)改寫為宏定義方式。
• 對(duì)一個(gè)循環(huán)中多個(gè)無(wú)相關(guān)性的處理拆可以將其分成多個(gè)循環(huán)語(yǔ)句，這樣更好的提高cache命中率，在特定場(chǎng)景下可以顯著提升性能。
• 減少循環(huán)體內(nèi)的跳轉(zhuǎn)，盡量讓流程順序化執(zhí)行，從循環(huán)中移除不變性代碼。

對(duì)象參數(shù)的優(yōu)化

如果不修改對(duì)象的情況下，建議使用const obj&方式。

如果需要修改對(duì)象的情況下，建議使用obj&方式。

如果需要再對(duì)象的新拷貝上進(jìn)行操作的情況下，建議直接使用obj方式。

String接口的優(yōu)化

• 不推薦使用const String&(除非調(diào)用方確保有現(xiàn)成的String對(duì)象)；
• 如果不需要修改字符串內(nèi)容，可以使用string_view或const char*；
• 如果只在函數(shù)內(nèi)部修改字符串的內(nèi)容，可以直接使用String方式；
• 如果需要修改調(diào)用者字符串的內(nèi)容，建議使用string&方式。

函數(shù)和虛函數(shù)的優(yōu)化

函數(shù)的調(diào)用使得處理器跳到另外一個(gè)代碼地址并回來，這個(gè)過程一般需要4個(gè)時(shí)鐘周期，大多數(shù)情況處理器會(huì)把函數(shù)調(diào)用、返回和其他指令一起執(zhí)行以節(jié)約運(yùn)行時(shí)間。函數(shù)的參數(shù)存儲(chǔ)在棧上需要額外的時(shí)間( 包括棧幀的建立、saving and restoring registers、可能還有異常信息等)。

下面就針對(duì)函數(shù)相關(guān)的羅列一些提高性能的思路。

1.避免過多使用不必要的函數(shù)，特別在最底層的循環(huán)，應(yīng)該盡量讓代碼在一個(gè)函數(shù)內(nèi)?？雌饋砼c良好的編碼習(xí)慣沖突(一個(gè)函數(shù)最好不要超過80行)，我們應(yīng)該知道何時(shí)去關(guān)注函數(shù)的這些優(yōu)化，而不是一上來就讓代碼可讀性和可為維護(hù)性變低。

2.可以使用一些inline函數(shù)，讓函數(shù)調(diào)用的地方直接用函數(shù)體替換。Inline它對(duì)編譯器來說是個(gè)建議，而且不是inline了性能就好，一般當(dāng)函數(shù)比較小或者只有一個(gè)地方調(diào)用的時(shí)候，inline效果會(huì)相對(duì)比較好。

3.減少函數(shù)的間接調(diào)用，如偏向靜態(tài)鏈接而不是動(dòng)態(tài)鏈接，盡量少用或者不用多繼承、虛擬繼承等風(fēng)格。

4.優(yōu)先使用迭代而不是遞歸。

5.使用函數(shù)來替換define，從而避免多次求值。宏的其他缺點(diǎn)：不能overload和限制作用域。

6.減少虛函數(shù)的使用，盡可能使用模板方式進(jìn)行代替虛函數(shù)的使用。

7.類的使用，同時(shí)在構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)盡可能簡(jiǎn)單化使用，消除不必要的反復(fù)使用構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)。

8.類對(duì)象使用時(shí)候，復(fù)制對(duì)象的開銷是高昂的。最好選擇傳遞引用，而不是傳遞值。

運(yùn)算表達(dá)式優(yōu)化

• 在運(yùn)行過程中，盡量把常量合并到一起。

例如a*x*b==(a*b)*x

• 當(dāng)在硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元的機(jī)器上double類型會(huì)比f(wàn)loat效率高，但一般情況下單精度和雙精度的計(jì)算性能是一樣的。
• 在除法、取余運(yùn)算情況下，unsigned ints(無(wú)符號(hào)類型)會(huì)快于 signed ints(有符合類型)。
• 除法中，除以常量會(huì)比除以變量效率高，因?yàn)榭梢栽诰幾g期做優(yōu)化，尤其是常量可以表示成2^n時(shí)。
• ++i和i++本身性能一樣，但不同的語(yǔ)境情況下，它們的效果是不一樣，如array[i++]比arry[++i]性能好;當(dāng)依賴自增結(jié)果時(shí)，++i性能更好，如a=++b,a和b可復(fù)用同一個(gè)寄存器。
• 浮點(diǎn)除法比乘法慢很多，所以可以利用乘法來代替除法運(yùn)算，這樣可以提高代碼性能。

內(nèi)存優(yōu)化

程序在運(yùn)行時(shí)，占用內(nèi)存越少，那么它的運(yùn)行效率也就更快，也說明程序的運(yùn)行性能較好。那么如果對(duì)這塊內(nèi)存進(jìn)行做優(yōu)化，讓程序達(dá)到更好的性能?

下面分析幾種對(duì)內(nèi)存優(yōu)化的方案。

• 程序盡量減少對(duì)內(nèi)存管理器的調(diào)用次數(shù)。
• 減少內(nèi)存讀寫的操作，特別是減少內(nèi)存寫的次數(shù)，并且盡可能按順序進(jìn)行內(nèi)存的訪問讀取操作。
• 一起使用的函數(shù)存儲(chǔ)在一起。函數(shù)的存儲(chǔ)通常按照源碼中的順序來的，如果函數(shù)A,B,C是一起調(diào)用的，那盡量讓ABC的聲明也按照這個(gè)順序。
• 一起使用的變量存儲(chǔ)在一起。使用結(jié)構(gòu)體、對(duì)象來定義變量，并通過局部變量方式來聲明，這都是一些較好的選擇
• 動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配、STL容器、string都是一些常容易cache不友好的場(chǎng)景，核心代碼處盡量不進(jìn)行使用。

算法優(yōu)化

在程序開發(fā)過程中，可以根據(jù)數(shù)據(jù)集的特征選擇更高的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法策略，這就要求到開發(fā)人員對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法空間復(fù)雜度和時(shí)間復(fù)雜度有清晰的認(rèn)識(shí)。

在程序中算法會(huì)大大影響程序的性能，因此選擇一個(gè)合適高效率的算法很重要。

多線程的優(yōu)化

• 多線程加鎖和競(jìng)爭(zhēng)是影響程序性能的殺手；
• 再多線程中，如果能使用atomic就不要使用mutex；
• 如果讀比寫多很多，使用讀寫鎖(shared_mutex),而不是使用獨(dú)占鎖(mutex)；
• 使用線程本地(thread_local)變量。

總結(jié)

程序的性能優(yōu)化，不僅可以從編譯器、語(yǔ)言特性、編碼習(xí)慣、算法選擇、程序架構(gòu)設(shè)計(jì)等等方面入手，不斷的提升程序的性能，以此達(dá)到用戶體驗(yàn)感的提升。

最后從項(xiàng)目上梳理幾個(gè)可以優(yōu)化的思路點(diǎn)。

1.去除項(xiàng)目中冗余代碼。

2.字符串操作優(yōu)化。

3.減少內(nèi)存分配、釋放操作，例如可以使用內(nèi)存池。

4.減少不必要的互斥鎖操作。

5.根據(jù)性能需求選擇數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

6.延遲工作，按需執(zhí)行。

7.減少跨進(jìn)程的調(diào)用。

8.使用高性能的函數(shù)庫(kù)。

9.可以通過使用智能指針代替指針的使用。

10.優(yōu)化動(dòng)態(tài)庫(kù)文件的加載，盡量避免不必要的IO操作。

最后推薦一個(gè)很不錯(cuò)的在線編碼平臺(tái)(可以將代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換為匯編代碼，并且支持多平臺(tái)匯編代碼的轉(zhuǎn)換):COMPILER EXPLORER；

后面是平臺(tái)鏈接https://godbolt.org/

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