科研和工程中的C++編程3-代碼優(yōu)化

科研和工程中的C++編程代碼優(yōu)化浙江大學計算機學院

袁昕代碼優(yōu)化剖析(profile)

利用工具分析程序代碼，調(diào)用頻率，計算時間等。要防止：

(1)優(yōu)化了錯誤的代碼：若一個程序的主要指標不是效率，那么一切花在使其更高效上的時間都是浪費?？恐庇X來判斷哪段代碼的主要指標是效率是不可信的，只有直接去測量。

(2)程序員經(jīng)常“優(yōu)化”到降低了代碼的速度。這在C++是一個典型問題，一個簡單的指令行可能會產(chǎn)生巨大數(shù)量的機器代碼，應當經(jīng)常檢查編譯器的輸出，并且剖析之*。代碼優(yōu)化構造和析構：

未經(jīng)認真設計的程序經(jīng)?；ㄙM不少時間在調(diào)用構造函數(shù)，拷貝對象以及初始化臨時對象等等。代碼優(yōu)化即便arg為0，也付出了調(diào)用Object的構造函數(shù)的代價。特別是如果arg經(jīng)常是0，并且Object本身還分配內(nèi)存，這種浪費會更加嚴重。顯然的解決方案就是把obj的定義移到判斷之后。在循環(huán)中定義復雜變量要注意，若在循環(huán)中按照除非需要否則不構造的原則構造了復雜的對象，那么在每一次循環(huán)的時候都要付出一次構造的代價。最好在循環(huán)外構造之，并只構造一次。如果一個函數(shù)在內(nèi)循環(huán)中被調(diào)用，而該函數(shù)在棧內(nèi)構造了一個對象，那么可以在外部構造并傳遞一個引用給它。代碼優(yōu)化盡量采用初始化列表，類中的成員類對象，如果在構造方法里初始化，一般是使用了等號操作符，這樣就等于是調(diào)用了無參數(shù)構造方法一次，再調(diào)用一次等號操作符。而使用初始化列表則直接調(diào)用其拷貝構造方法*。要前自增不要后自增(即要++A不要A++)，后自增會產(chǎn)生臨時對象，調(diào)用構造方法。對于整數(shù)，這沒有額外的負擔，但對于用戶自定義類型，這就是浪費。代碼優(yōu)化盡量少使用有返回值的操作符，如Toperator+(constT&)等，它返回時將構造臨時對象，調(diào)用構造方法?？蓢L試C++0x引入的新的語法：右值引用。操作符+-*/%等都需要被設計成有返回值的方法，因此方法體內(nèi)部出錯時，只能以拋出異常的方式來通知調(diào)用者。代碼優(yōu)化構造方法盡可能寫輕量級代碼，有些成員初始化可以使用兩步的方法，構造方法什么都不作，另外設計一個方法來初始化成員。要注意類型轉換會產(chǎn)生隱藏的臨時對象，所以要針對各種類型重載操作符方法。代碼優(yōu)化虛函數(shù)：

虛函數(shù)的機制很簡單。為了完成一個對象的虛函數(shù)調(diào)用，編譯器訪問對象的虛函數(shù)表，獲得一個成員函數(shù)的指針，設置調(diào)用環(huán)境，然后跳轉到該成員函數(shù)的地址上。一個虛函數(shù)調(diào)用的額外負擔是虛函數(shù)表的間接指向；由于事先并不知道將要跳轉的地址，所以也有可能造成處理器不能命中Cache。代碼優(yōu)化一般的C++程序都對虛函數(shù)有大量的使用，所以主要的手段是防止在那些極其重視效率的地方的虛函數(shù)調(diào)用。可以改成內(nèi)聯(lián)函數(shù)以省去函數(shù)調(diào)用的開銷，也可以利用模版類的特點使用mix-inclass模式(混同體，設計模式書中是策略模式)。如下圖：代碼優(yōu)化代碼優(yōu)化其中的模版參數(shù)T是最終派生類。這樣在CXXX實例中調(diào)用XXX()方法時，將調(diào)用最終派生類CXXX中重載的DoXXX()方法，也做到了多態(tài)，但省去了虛函數(shù)表的調(diào)用開銷。

Windows下ATL編程還可以在父類上進一步加ATL_NO_VTABLE關鍵字，如classATL_NO_VTABLECXXXImpl，目的使得父類構造方法不初始化虛函數(shù)表，從而優(yōu)化時把父類虛函數(shù)表及虛函數(shù)體從最后生成的模塊中刪除，從而減少了可執(zhí)行文件的大小，進而減少內(nèi)存頁的切換。代碼優(yōu)化在很小的、頻繁使用的類上使用任何虛函數(shù)會造成額外的負擔，這些都是不能接受的。由于繼承一般都要用到一個或幾個虛函數(shù)（至少有一個虛的析構函數(shù)），所以沒必要在小而頻繁使用的對象上使用任何繼承。當然，繼承的層次越少越好，一般3~5層足夠。代碼優(yōu)化

MFC、Qt、WxWidget、C#、Java等都使用了單根的類繼承體系，顯然它們都會有上面的問題，而且用單根繼承來描述世界有點怪異，使用多繼承組合、概念泛化、基于對象的設計來描述世界就比較自然。關于C++類對象的內(nèi)存布局，參考書有：

《深入探索C++物件模型》代碼優(yōu)化函數(shù)/方法參數(shù)的設計盡可能使用簡單的類型，這樣可以減少額外的類方法的調(diào)用。若參數(shù)類型為類，在隱式類型轉換中就會調(diào)用構造方法，造成額外的調(diào)用負擔。如：

voidFoo(std::string&str){…}

Foo(“aaa”);代碼優(yōu)化這里對Foo()的調(diào)用包括了對給定constchar*參數(shù)的構造函數(shù)的調(diào)用。在一般的實現(xiàn)中，這個構造函數(shù)執(zhí)行了一個malloc()，一個strlen()，以及一個memcpy()。由于該例子中的string沒有被更多的應用，接著就調(diào)用了析構函數(shù)，即free()。這里的內(nèi)存分配完全是浪費，因為字符串“aaa”早就在程序的數(shù)據(jù)段中了，因而有它在內(nèi)存中的副本。如果Foo參數(shù)定義成constchar*，那么就沒有了上面所說的那些額外的調(diào)用。對應的較好的形式如下：

voidFoo(constchar*str){…}代碼優(yōu)化inline關鍵字的優(yōu)化功能使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)/方法可消除函數(shù)調(diào)用的系統(tǒng)開銷，但是內(nèi)聯(lián)太多代碼可能使應用程序很大，致使虛擬內(nèi)存頁的錯誤數(shù)增加(即內(nèi)存頁交換也要時間開銷)。所以要檢查每個函數(shù)/方法，決定是否內(nèi)聯(lián)，以防止生成的代碼膨脹。最終運行效率以測量的時間為準(如用性能監(jiān)視器

perfmon.exe)*。代碼優(yōu)化減少緩存未命中和頁錯誤

緩存未命中不論出現(xiàn)在內(nèi)部緩存中，還是出現(xiàn)在外部緩存中，都會降低程序的性能；而頁錯誤由于會轉到二級存儲中獲得程序指令和數(shù)據(jù)，也會降低程序的性能。

為避免此問題，使用具有良好引用地址的數(shù)據(jù)結構很重要，這意味著應將相關的事物合在一起。有時看上去很棒的數(shù)據(jù)結構由于引用地址不好而變得很糟，有時正好相反。代碼優(yōu)化

(1)動態(tài)分配的鏈接表可以降低程序性能，當搜索項或者在表中遍歷到末尾時，每個跳過的鏈接都可能未命中緩存或導致頁錯誤?；诤唵螖?shù)組的表實現(xiàn)由于較好的緩存和較少的頁錯誤，實際上可能快得多，即使考慮到數(shù)組更難增長的事實，它仍然可能更快。代碼優(yōu)化

(2)使用動態(tài)分配的鏈接表的哈希表可能降低性能。通過擴展，使用動態(tài)分配的鏈接表存儲內(nèi)容的哈希表的性能可能顯著降低。事實上，在最后的分析中，通過數(shù)組的簡單線性搜索實際上可能更快（取決于具體的情況）。基于數(shù)組的哈希表（所謂的“關閉散列”）是通常具有極佳的性能但卻經(jīng)常被忽略的實現(xiàn)。代碼優(yōu)化

(3)排序和查找也要注意容器內(nèi)元素的引用地址和預期其涉及的數(shù)據(jù)。元素的引用地址連續(xù)能提高運行效率。

(4)內(nèi)存分配：盡量分配連續(xù)的內(nèi)存來使用。如果經(jīng)常執(zhí)行小的分配，可使用自定義分配策略，先分配大的內(nèi)存塊，然后使用自定義的Helper函數(shù)從該塊分配需要的小內(nèi)存。代碼優(yōu)化閱讀ATL和STL中的集合類(array,list,map,hash,red-blackmap)的實現(xiàn)代碼，并對比它們使用內(nèi)存的方式，分析其效率。再和數(shù)據(jù)結構書上的集合類的實現(xiàn)進行對比，以及對比自己的數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)和C++課程作業(yè)，并得到結論。代碼優(yōu)化

(5)較小的工作集(由模塊文件，即程序集大小來決定)意味著更好的引用地址、更少的頁錯誤和更多的緩存命中。進程工作集是操作系統(tǒng)為測量引用地址而直接提供了最接近的尺度。

動態(tài)庫模塊盡量減少引出函數(shù)的數(shù)目，若確實較多，windows下可以通過def文件中對每個函數(shù)加NONAME屬性去掉函數(shù)名字，只存儲序數(shù)，從而減小dll文件大小。代碼優(yōu)化對于確定不會拋出異常的函數(shù)和方法，在函數(shù)/方法定義的末尾加上throw()說明，可以讓編譯器優(yōu)化調(diào)用此函數(shù)/方法的代碼。此時要確保此函數(shù)/方法不拋異常，就要自己檢查函數(shù)體內(nèi)每個調(diào)用，可能拋出異常的，要自己在該函數(shù)/方法中捕獲該異常。如有可能，使用編譯器支持的內(nèi)部函數(shù)。不能忽略任何編譯信息，包括警告信息。代碼優(yōu)化整數(shù)運算：

對于某些整數(shù)運算，可以用與、或、非、移位、加減等操作來替代較耗時的乘法、除法、冪指數(shù)、對數(shù)等運算。如：代碼優(yōu)化上面的代碼求得不小于無符號整數(shù)x的2的冪。一般的做法是需要做一個循環(huán)，不斷除2到0，根據(jù)循環(huán)次數(shù)計算冪。而上述代碼顯然生成的代碼更簡單，運算更快速。參考書：《高效程序的奧秘》代碼優(yōu)化配置編譯器優(yōu)化選項：

如：確保連接器配置為去除無用的函數(shù)和類，并設置為尺寸最小化而不是速度最大化(由于Cache命中的提高，會產(chǎn)生更好的運行效果)（注意在使用這項設置時檢查instrinsic功能是否也處于打開狀態(tài)），浮點優(yōu)化選項等。

使用異常會對性能造成影響，所以要綜合考慮程序魯棒性和運行效率，針對程序不同地方的不同要求做出合適的選擇。代碼優(yōu)化編譯選項若啟用運行時類型信息(RTTI)，編譯器會為每一個類產(chǎn)生一些靜態(tài)信息。RTTI一般來說是缺省啟用的，這樣我們的代碼可以調(diào)用dynamic_cast以及檢測一個對象的類型?？梢钥紤]完全禁止使用RTTI和dynamic_cast以節(jié)省空間（有時候dynamic_cast在某些實現(xiàn)中需要付出很高的代價）。另一方面，當真的需要有基于類型的不同行為的時候，增加一個不同行為的虛函數(shù)是更好的面向對象設計（注意static_cast與此不同，它的效率和C語言的類型轉換一樣）。代碼優(yōu)化注意開發(fā)時使用的庫以及第三方庫(如boost)、共享庫：要了解其系統(tǒng)開銷，有源代碼的可以調(diào)試其源代碼，若無，可用工具測量其性能是否滿足時間要