在做軟件設(shè)計咨詢工作時，我常常發(fā)現(xiàn)：許多高性能軟件產(chǎn)品的研發(fā)團隊，在軟件開發(fā)階段，僅僅關(guān)注并實現(xiàn)業(yè)務(wù)的特性功能。待功能交付后，才花費大量時間對軟件代碼進行調(diào)整優(yōu)化。

而且，在與這些程序員接觸的過程中，我還觀察到一個有趣的現(xiàn)象：大家普遍認為，在軟件編碼實現(xiàn)階段，過早考慮代碼優(yōu)化意義不大，應(yīng)等到功能開發(fā)完成，再基于打點 Profiling（數(shù)據(jù)分析）去優(yōu)化代碼實現(xiàn)。

其實，這個想法是否可取，也曾困擾過我。然而，在經(jīng)歷眾多由低級編碼導(dǎo)致的性能問題后，我發(fā)現(xiàn)高性能編碼實現(xiàn)極具價值，且能讓我更好地處理編碼實現(xiàn)優(yōu)化與 Profiling 優(yōu)化之間的關(guān)系。

建立正確的高性能編碼價值觀

首先，提及高性能編碼，想必您肯定聽說過現(xiàn)代計算機科學(xué)的鼻祖高德納（Donald Knuth）的那句名言：“We should forget about small efficiencies, say about 97% of the time: premature optimization is the root of all evil. Yet we should not pass up our opportunities in that critical 3%.” 意思是：我們應(yīng)該忘掉那些效率低下的事情，告誡自己在 97% 的情況下：過早優(yōu)化是萬惡之源。但是，我們也不應(yīng)該在關(guān)鍵的 3% 上錯過優(yōu)化機會?！禖omputer Programming as an Art (1974)》P671。

不過我認為，或許很多程序員僅僅記住了這句話的前半部分，即 “97% 的情況下，過早優(yōu)化是萬惡之源”，卻沒有留意到這句話還有后半句：我們不應(yīng)該放棄掉那關(guān)鍵的 3% 的優(yōu)化機會。

所以，由此造成的后果是：過度推崇不要對代碼進行提前優(yōu)化，并將此當(dāng)作編寫低性能軟件代碼的借口。也就是說，當(dāng)下我們在軟件編碼過程中所遇到的大多數(shù)問題，并非由過早優(yōu)化所致，而是因為在編寫代碼時對執(zhí)行效率缺乏關(guān)注所引發(fā)的。

其實，在編寫代碼階段樹立追求高性能實現(xiàn)的意識極為重要，主要有兩方面原因。

第一個原因在于，或許原本只是一個細微的編碼問題，卻有可能引發(fā)軟件較大的性能問題。例如，我曾經(jīng)參與的一個 C++ 高性能軟件開發(fā)項目，由于一位研發(fā)人員在編碼時不慎遺漏了函數(shù)行參的引用符號，致使函數(shù)調(diào)用開銷增大，軟件版本性能顯著下降。而且這個問題較為隱蔽，我們后續(xù)耗費了大量精力，在代碼中增添了眾多定位手段，才得以發(fā)現(xiàn)問題。

第二個原因是，一旦錯失高性能編碼的時機，將性能問題遺留到軟件生命周期的后期，很可能因為錯過了當(dāng)時編寫代碼的具體情境，后續(xù)就難以再察覺這個問題。在此，我再為您舉個例子加以說明。

可以看到，在如下所示的代碼片段中，這個類的實例在接收數(shù)據(jù)之后，會更新各個 Channel 中的數(shù)據(jù)量大小，而后對外提供了一個方法，用于判斷所有通道中是否存在數(shù)據(jù)

public class ChannelGroup {
class Channel{
public String channelname;
public int dataSize;
    }


    Channel[] channels;


public Channels() {
        channels = new Channel[10]; 
    }


public receiveData(...)  {....}  // 收到數(shù)據(jù)更新Channel中信息，省略
public boolean hasData() {   // 判斷所有通道是否有數(shù)據(jù)。
for (Channel Channel : Channels) {
if (Channel.dataSize > 0){
return true;
            }
        }
return false;
    }
}

那么在看完這段代碼之后，您認為這段代碼實現(xiàn)中的方法 hasData ，能算作高性能實現(xiàn)嗎？倘若僅依據(jù)這段代碼實現(xiàn)來加以分析，會覺得它似乎不存在性能問題。畢竟，對于一個僅有 10 個元素的數(shù)組而言，運用二分法查找來提高查找速度的必要性并非很大。

好，我們暫且如此認為，接著再做一個假設(shè)：在真實的編寫代碼過程中，存在這樣一個潛在的上下文信息，即在絕大多數(shù)業(yè)務(wù)場景下，是第三個通道收到數(shù)據(jù)。那么針對這種情況，如果再采用從前向后的順序遍歷，必然不是性能最佳的實現(xiàn)方式，而應(yīng)當(dāng)先判斷第三個通道中的數(shù)據(jù)。

所以通過這兩個例子，您應(yīng)該明白了，如果在編碼實現(xiàn)階段并非從高性能實現(xiàn)的角度出發(fā)，而是打算在后續(xù)通過打點數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化解決問題，幾乎是不太可行的。

實際上，依我的思考和實踐經(jīng)驗而言，在開發(fā)一個高性能軟件系統(tǒng)時，在編碼階段考慮高性能的實現(xiàn)方法，與完成業(yè)務(wù)功能后再進行代碼調(diào)優(yōu)，兩者并不沖突，應(yīng)當(dāng)同等重視。因為前期的高性能編碼實現(xiàn)過程，大多由人主觀把控，所以可能會因判斷失誤或者實現(xiàn)過程中的疏忽，引入一些低效率的代碼實現(xiàn)。如此一來，后期通過熱點代碼分析以及代碼調(diào)優(yōu)的過程，是不可省略的。

而且說實話，在我心中，優(yōu)秀的軟件代碼應(yīng)當(dāng)兼具代碼簡潔與性能，倘若對編碼性能嗤之以鼻，我認為這樣的程序員通常也寫不出高質(zhì)量的代碼。

好了，在理解了應(yīng)當(dāng)如何看待高性能編碼之后，接下來的問題便是，如何才能掌握實現(xiàn)高性能編碼的方法，下面我們就具體來瞧瞧。

高性能編碼實現(xiàn)方法

其實在軟件開發(fā)的進程中，高性能編碼實現(xiàn)的方法與技術(shù)繁多，不同的編程語言之間還會存在一定差異，很難在一節(jié)課里介紹周全。

所以，今天我主要從編寫的代碼映射到執(zhí)行過程的視角，為您介紹四種高性能編碼實現(xiàn)方法，以及相應(yīng)的實現(xiàn)原則和手段，分別是循環(huán)實現(xiàn)、函數(shù)方法實現(xiàn)、表達式實現(xiàn)以及控制流程實現(xiàn)。

在實際的軟件編碼過程中，您也能夠依照這樣的角度和思路，嘗試去理解與分析軟件代碼的運行態(tài)過程，逐步積累并完善高性能編碼的實現(xiàn)技巧。

好，接下來我們就從循環(huán)實現(xiàn)入手，來瞧瞧這種高性能實現(xiàn)的原則和方法。

高性能循環(huán)實現(xiàn)

我們都清楚，在編寫代碼時，循環(huán)體內(nèi)的代碼會被多次執(zhí)行，因而其代碼開銷會被放大，常常會出現(xiàn)在熱點代碼當(dāng)中。也就是說，怎樣實現(xiàn)高效循環(huán)是達成高性能編碼最為關(guān)鍵的一步。

那么，編寫高效循環(huán)代碼的重要參考原則有哪些呢？我覺得主要有兩個，下面我們具體來了解一下。

第一點，盡量避免對循環(huán)起始條件和終止條件的重復(fù)計算。為了讓您更輕松地理解這個原則，我先帶您來看一個高效循環(huán)的反面例子。在下面這個代碼示例中，所實現(xiàn)的功能是循環(huán)遍歷并更新字符串中的值，您會發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)執(zhí)行的過程中，strlen 被調(diào)用了多次，所以性能較低。

void updateStr(char* str)
{
for(int i = 0; i<strlen(str); i++)
    {
        str[i]= '*';
    }
}

那么，針對這種情況，我們就應(yīng)該在循環(huán)開始時，將字符串長度值保存在一個變量中，從而避免重復(fù)計算。修改好的代碼如下：

void updateStr(char* str)
{
int length = strlen(str);
for(int i = 0; i< length; i++)
    {
        str[i]= '*';
    }
}

第二點，盡量避免循環(huán)體中存在重復(fù)的計算邏輯。

我們同樣也來看一個反模式的代碼示例。在下面這段代碼的實現(xiàn)過程中，x*y的值并沒有發(fā)生變化，但是在循環(huán)體中被執(zhí)行了很多遍。

void initData(int[] data, int length, int x, int y){
for(int i = 0; i < length; i++)
    {
        data[i] = x * y + 100;
    }
}

因此，從高性能編碼實現(xiàn)的角度出發(fā)，我們能夠?qū)?nbsp;x*y 值的計算過程遷移至循環(huán)體之外，以此降低這部分的冗余計算開銷。實際上到這里，您可以記住這么一句話：編寫高效循環(huán)代碼的本質(zhì)，就是盡可能讓循環(huán)體中執(zhí)行的代碼越少越好，剔除掉所有能夠冗余的重復(fù)計算。

那么在具體的代碼實現(xiàn)里，需要檢查的循環(huán)優(yōu)化點其實還有眾多。例如，您還需要檢查是否存在重復(fù)的函數(shù)調(diào)用、多余的對象申請和構(gòu)造、多余的局部變量定義等等。所以，在編寫循環(huán)代碼時，您需要留意識別并剝離出此類代碼實現(xiàn)。

高性能函數(shù)方法實現(xiàn)

實現(xiàn)高性能的函數(shù)方法，存在兩個重要的出發(fā)點：盡可能通過內(nèi)聯(lián)來降低運行期函數(shù)調(diào)用，盡可能減少不必要的運行期多態(tài)。接下來，我為您講解一下為何要從這兩個點出發(fā)，以及應(yīng)當(dāng)如何去做。

第一點，盡可能通過內(nèi)聯(lián)來降低運行期函數(shù)調(diào)用。所謂 “通過內(nèi)聯(lián)”，指的是將代碼直接插入到代碼調(diào)用中進行執(zhí)行，從而減少運行期函數(shù)調(diào)用。那為何要減少生成真實的運行期函數(shù)呢？這是由于函數(shù)調(diào)用自身會產(chǎn)生一些額外的性能開銷。在函數(shù)調(diào)用的過程中，需要先把當(dāng)前局部變量壓棧，在調(diào)用結(jié)束后還需要出棧操作，同時還需要更新相關(guān)寄存器。所以當(dāng)函數(shù)體內(nèi)部的邏輯較小時，所產(chǎn)生的額外開銷所占比例會比較高。因此，對于較小的函數(shù)方法，我們應(yīng)盡量采用內(nèi)聯(lián)實現(xiàn)，以此降低不必要的調(diào)用開銷。

實際上，不同的編程語言，支撐函數(shù)方法內(nèi)聯(lián)的語法和機制存在一定差異。在 Java 語言的開發(fā)過程中，我建議您盡量使用 final 來定義方法，因為在這種場景下，Java 的 JIT 有較大概率將這個代碼方法內(nèi)聯(lián)掉。而在 C++ 中，針對一些熱點小函數(shù)，您可以使用 Inline 關(guān)鍵字來定義方法，如此便能明確告知編譯器盡量將代碼內(nèi)聯(lián)掉。補充：在早期 C 語言的開發(fā)過程中，由于沒有內(nèi)聯(lián)語法，程序員常常使用編譯宏來定義方法，以此減少真實方法的調(diào)用開銷。然而，最終編譯器或解釋器能否將代碼內(nèi)聯(lián)掉，還存在許多隱性約束條件，所以您在編碼實現(xiàn)時需要多加留意。

第二點，盡量減少不必要的運行期多態(tài)。

多態(tài)的本質(zhì)即為函數(shù)指針，它需要在運行過程中獲取內(nèi)存中變量的值，以此判斷代碼執(zhí)行需要跳轉(zhuǎn)至哪個位置。而這種在運行期動態(tài)決定跳轉(zhuǎn)地址的情況，極易導(dǎo)致指令集流水線的中斷，使得指令 Cache Miss 的概率增加，進而引發(fā)性能下降。

不過在 Java 語言中，由于類方法模式均是抽象的，所以我們能夠?qū)㈥P(guān)鍵方法定義為靜態(tài)方法，從而避免多態(tài)調(diào)用；對于 C++ 而言，在定義類方法時，我們可以依據(jù)需求決定是否使用抽象方法，以減少不必要的多態(tài)；而在 C 語言中，我們能夠通過盡量避免使用不必要的函數(shù)指針，來降低運行期多態(tài)。

另外，在實現(xiàn)高性能函數(shù)方法時，還有一些要點您也需要留意，例如盡量避免遞歸調(diào)用、盡量減少不必要的參數(shù)傳遞等等。不過這些均屬于高性能編程的常識性問題，所以在此我就不再展開闡述了。

高性能表達式實現(xiàn)

其實，現(xiàn)在的編譯器針對表達式級別的優(yōu)化支持能力已經(jīng)很強大了，比如說，如果你在編寫代碼的過程中，使用下面的乘法操作：

int y = x * 128;

那么，對于高性能的編譯器（如新版的 GCC 9.x 等）而言，能夠?qū)⑦@個乘法操作優(yōu)化為移位操作，進而提升執(zhí)行性能。然而，我們在編碼的過程中，不能完全依賴這種編譯器的能力，因為一方面編譯器的優(yōu)化能力存在邊界，另一方面在編寫代碼的過程中，編譯器對表達式的優(yōu)化也只是順便為之。所以在此，我為您總結(jié)了高性能表達式實現(xiàn)中幾個較為重要的點，它們均屬于簡單的實現(xiàn)規(guī)則，您也可以在編寫代碼的過程中作為參考并加以注意。

第一點，盡量將常量計算放到一起。

比如你可以看看下面的代碼，這是一個包含了 3 個乘法運算的表達式：

int z = 32 * x * 432 * y;

那么，如果將常量乘法計算放到一起，就很容易在編譯期優(yōu)化掉，從而就可以避免執(zhí)行時再計算。

第二點，盡量將表達式簡化，從而減少冗余運算開銷。

我們同樣來看一個例子。在下面的這段代碼示例中，兩個表達式的實現(xiàn)邏輯相同，都是先乘法再加法，不過您會發(fā)現(xiàn)，第二個表達式少了一次乘法運算，所以它的執(zhí)行性能會更為出色：

int z = x * x + y *x  ;  //兩個乘法操作，一個加法操作
 int z = x * (x+y); //一個乘法操作，一個加法操作

第三點，盡量減少除法運算。

目前 CPU 中對除法計算的開銷仍然較大，因此倘若能夠優(yōu)化為移位操作或者乘法操作，那么都能夠提升執(zhí)行性能。

高性能控制流程實現(xiàn)首先您需要知曉的是，控制流程代碼在執(zhí)行的過程中，CPU 執(zhí)行會通過指令分支預(yù)測，提前將接下來的執(zhí)行指令搬移到 Cache 中，如果預(yù)測失敗，就有可能導(dǎo)致指令流水線中斷，從而對執(zhí)行性能產(chǎn)生影響。

所以，您在編寫控制流程代碼時，就需要思考一下怎樣才能更好地實現(xiàn)，以此來優(yōu)化代碼的執(zhí)行性能。

那么具體該怎么做呢？在此，我也為您分享一下我在實踐過程中總結(jié)的經(jīng)驗，即盡量減少不必要的分支判斷。這個原則是最為重要、也是最容易被忽略的。為何這么說呢？我們來看一個具體的例子。在下面這段代碼里，您可以發(fā)現(xiàn) x==2 和 x==3 對應(yīng)的分支場景是相同的，但是它們還是被放置在了兩個代碼分支當(dāng)中，所以這樣執(zhí)行起來不但低效，而且還存在重復(fù)代碼：

if ( 2 == x ) {   // 場景1
     printf("case 1");
 }
 if ( 3 == x ) {    //場景1
     printf("case 1");
 }
 if ( 4 == x ) {    //場景2
     printf("case 2");
 }

在日常的代碼開發(fā)里，由于偷懶不想寫一個組合的邏輯表達式，從而增加分支邏輯的現(xiàn)象，實際上是較為常見的。所以說，我們在實際編寫控制流程代碼的時候，務(wù)必要注意盡量減少不必要的代碼分支，如此才能有效地提升執(zhí)行性能。

然而這里您可能還存在一個問題，那就是如果深入挖掘優(yōu)化代碼中一些重復(fù)的分支邏輯，其中包含的門道還比較多。比如說，通過多態(tài)來避免代碼中重復(fù)的 switch 分支邏輯，利用表驅(qū)動來減少 switch 邏輯和小的 for 循環(huán)平鋪執(zhí)行等等。所以在此，我給您一個小建議，在一些特殊場景下（比如 if 條件嵌套非常多的場景），您可以考慮使用 switch 來替換 if ，這樣也有可能改進代碼的執(zhí)行性能。