提高C++性能的编程技巧
admin
2024-02-25 14:41:45
0

前言

这里记录一些在使用C++进行编程时,可以提高软件性能的小技巧。


文章目录

  • 前言
  • 技巧一
  • 技巧二
  • 技巧三
  • 技巧四
  • 技巧五
  • 技巧六
  • 技巧七
  • 技巧八
  • 技巧九
  • 技巧十
  • 技巧十一
  • 技巧十二
  • 技巧十三
  • 技巧十四
  • 技巧十五
  • 总结
  • 参考资料


程序员对C++的性能有几个公认的基本原则:
①I/O的开销是高昂的;
②函数调用的开销是要考虑的一个因素,因此我们应该将短小的、频繁调用的函数内联;
③复制对象的开销是高昂的,最好选择传递引用,而不是传递值。
性能差的代码示例:

class Trace {
public:Trace(const string &name);~Trace();void debug(const string &msg);static bool traceIsActive;
private:string theFunctionName;
};
inline Trace::Trace(const string &name) : theFunctionName(name) {if (traceIsActive) {cout << “Enter function ” << name << endl;}
}
inline void Trace::debug(const string &msg) {if (traceIsActive) {cout << msg << endl;}
}
inline Trace::~Trace() {if (traceIsActive) {cout << “Exit function ” << theFunctionName << endl;}
}
int myFunction(int x) {string name = “myFunction”;Trace t(name);...string moreInfo = “more interesting info”;t.debug(moreInfo);...
}; // 跟踪析构函数 将退出事件记录到一个输出流中

性能优化改进后的代码示例:

class Trace {
public:Trace(const char *name); // char *要快于string~Trace();void debug(const char *msg);static bool traceIsActive;
private:string *theFunctionName;
};
inline Trace::Trace(const char *name) : theFunctionName(0) {if (traceIsActive) {cout << “Enter function ” << name << endl;theFunctionName = new string(name);}
}
inline void Trace::debug(const char *msg) {if (traceIsActive) {cout << msg << endl;}
}
inline Trace::~Trace() {if (traceIsActive) {cout << “Exit function ” << theFunctionName << endl;delete theFunctionName;}
}

对象定义会触发隐形地执行构造函数和析构函数。对象的构造和销毁并不总是意味产生开销,如果构造函数和析构函数所执行的计算是必须的,那么就要考虑使用高效的代码(内联会减少函数调用和返回的开销)。

技巧一

如果我们不需要用string对象的强大功能去做高深的事情,则完全可以将它替换为char指针,一个char指针的构造比一个string对象廉价的多

技巧二

对于类的复合对象,为了对子对象的创建和销毁进行更好的控制,可以用指针来代替它。但如果使用模式是跟踪永远打开,则将子对象嵌入到主对象中,效率将会更高,因为它占用的是栈内存而不是堆内存。堆内存的分配与释放代价是相当高昂的,基于栈的内存在编译时分配,而在函数调用返回时的堆栈清除阶段被释放。

技巧三

简化封装。对象的创建(或销毁)触发对父对象和成员对象的递归创建(或销毁),它们使得创建和销毁的开销更高昂。

技巧四

编译器必须初始化被包含的成员对象之后再执行构造函数体。你必须在初始化阶段完成成员对象的创建,这可以降低随后在构造函数部分调用赋值操作符的开销。在某些情况下,这样也可以避免临时对象的产生。

技巧五

未利用RVO进行性能优化的示例:

Complex operator+(const Complex &a, const Complex &b) {Complex retVal;retVal.real = a.real + b.real;retVal.imag = a.imag + b.imag;return retVal;
}

利用RVO进行性能优化的示例:

Complex operator+(const Complex &a, const Complex &b) {double r = a.real + b.real;double i = a.imag + b.imag;return Complex(r, i);
}

避免不必要的临时变量

技巧六

临时对象会以构造函数和析构函数的形式降低一半的性能
例1,不好的写法:

Rational r2 = Rational(100);
Rational r3 = 100;

好的写法:

Rational r1(100);

例2,不好的写法:

string s1 = “Hello”;
string s2 = “World”;
string s3;
s3 = s1 + s2;

好的写法:

string s1 = “Hello”;
string s2 = “World”;
string s3 = s1 + s2;

例3,不好的写法:

s5 = s1 + s2 + s3 + s4; // 产生3个临时对象

好的写法:

s5 = s1;
s5 += s2;
s5 += s3;
s5 += s4;

技巧七

如果主要分配限于单线程的内存块,那么内存管理器也会有类似的性能提高。由于省去了全局函数new()和delete()必须处理的并发问题,单线程内存管理器的性能会有所提高。

// 用来把不同大小的内存块连接起来形成块序列的类
class MemoryChunk {
public:MemoryChunk(MemoryChunk *nextChunk, size_t chunkSize);~MemoryChunk();inline void *alloc(size_t size);inline void free(void *someElement);// 指向列表下一内存块的指针MemoryChunk *nextMemChunk() {return next;}// 当前内存块剩余空间大小size_t spaceAvailable() {return chunkSize - bytesAlreadyAllocated;}// 这是一个内存块的默认大小enum { DEFAULT_CHUNK_SIZE = 4096 };
private:MemoryChunk *next;void *mem;// 一个内存块的默认大小size_t chunkSize;// 当前内存块中已分配的字节数size_t bytesAlreadyAllocated;
};
MemoryChunk::MemoryChunk(MemoryChunk *nextChunk, size_t reqSize) {chunkSize = (reqSize > DEFAULT_CHUNK_SIZE) ? reqSize : DEFAULT_CHUNK_SIZE;next = nextChunk;bytesAlreadyAllocated = 0;mem = new char[chunkSize];
}
MemoryChunk::~MemoryChunk() {delete [] mem;
}
void *MemoryChunk::alloc(size_t requestSize) {void *addr = static_cast(static_castmem + bytesAlreadyAllocated);bytesAlreadyAllocated += requestSize;return addr;
}
inline void MemoryChunk::free(void *someElement) {}
// 用来实现可变大小内存管理的类
class ByteMemoryPool {
public:ByteMemoryPool(size_t initSize=MemoryChunk::DEFAULT_CHUNK_SIZE);~ByteMemoryPool();// 从私有内存池分配内存inline void *alloc(size_t size);// 释放先前从内存池中分配的内存inline void free(void *someElement);
private:// 内存块列表 它是我们的私有存储空间MemoryChunk *listOfMemoryChunks;// 向我们的私有存储空间添加一个内存块void expandStorage(size_t reqSize); 
};
ByteMemoryPool::ByteMemoryPool(size_t initSize) {expandStorage(initSize);
}
ByteMemoryPool::~ByteMemoryPool() {MemoryChunk *memChunk = listOfMemoryChunks;while (memChunk) {listOfMemoryChunks = memChunk->nextMemChunk();delete memChunk;memChunk = listOfMemoryChunks;}
}
void *ByteMemoryPool::alloc(size_t requestSize) {size_t space = listOfMemoryChunks->spaceAvailable();if (space < requestSize) {expandStorage(requestSize);}return listOfMemoryChunks->alloc(requestSize);
}
inline void ByteMemoryPool::free(void *someElement) {listOfMemoryChunks->free(someElement);
}
void ByteMemoryPool::expandStorage(size_t reqSize) {listOfMemoryChunks = new MemoryChunk(listOfMemoryChunks, reqSize);
}
// 测试内存管理器效果的类
class Rational {
public:Rational(int a=0, int b=1) : n(a), d(b) {}void *operator new(size_t size) {return memPool->alloc(size);}void operator delete(void *doomed, size_t size) {memPool->free(doomed);}static void newMemPool() {memPool = new ByteMemoryPool;}static void deleteMemPool() {delete memPool;}
private:int n; // 分子 int d; // 分母static ByteMemoryPool *memPool;
};
// 测试实际代码
MemoryPool *Rational::memPool = 0;
int main() {...Rational *array[1000];Rational::newMemPool();// 此处开始计时for (int j=0; j<500; j++) {for (int i=0; i<1000; i++) {array[i] = new Rational(i);}for (int i=0; i<1000; i++) {delete array[i];}}// 此处停止计时Rational::deleteMemPool();...
}

因为单线程内存管理器要比多线程内存管理器快得多,所以如果要分配的大多数内存块限于单线程中使用,那么可以显著提升性能。
书中给出的多线程内存管理器,由于涉及模板和系统平台特有功能函数的使用,没有借鉴价值。

技巧八

使用内联有时会适得其反,尤其是滥用的情况下。内联可能会使代码量变大,而代码量增多后会较原先出现更多的缓存失败和页面错误。
所以傻瓜式的方法是不要人工指定函数内联,完全交给编译器进行优化

技巧九

当向vector插入大量自定义类型对象时,对象的拷贝构造函数和析构函数开销相当昂贵,并且向量的容量很有可能继续增长,这时可通过保存指针而不是对象来身份避免这种昂贵的代价。这是因为对象指针没有相关的构造函数和析构函数,复制指针的代价本质上和复制整数是相同的。例如:

vector v;
v->push_back(new BigInt{10});

技巧十

在很多情况下,我们可以对在特定情况下要尽可能足够大的向量容量进行估计。在你有把握做出恰当估计的情况下,我们可以预留好必要的容量,例如:

vector *v = new vector;
v->reserve(size);
vectorInsert(v, dataBigInt, size);

技巧十一

当访问数据时,最先搜索的是数据缓存。若数据不在缓存中,硬件产生缓存失败信号,该信号会从RAM或硬盘加载数据至缓存中。缓存以缓存行为单位,通常加载比我们所寻找的特定数据项更大的一块数据。这样的话,在4字节整数上的缓存失败可能导致加载128字节的缓存行到缓存中。由于相关数据项的位置在内存中很可能相邻,因此这对我们很有用。
一个没有充分利用缓存行的示例:

class X {
public:X() : a(1), c(2) {}...
private:int a;char b[4096]; // 缓冲区int c;
};

利用缓存行的示例:

class X {...
private:int a;int c;char b[4096];
};

现在a和c更有可能位于相同的缓存行,因为a在c之前被访问,所以当我们需要访问c的时候,基本可以保证c在数据缓存中。

技巧十二

动态分配和释放堆内存的代价比较昂贵。从性能角度来讲,使用不需要显式管理的内存所产生的代价要低得多。被定义成局部变量的对象存放于堆栈上。该对象所占用的堆栈空间是为相应函数预留的堆栈空间的一部分,该对象被定义在这个函数范围内。
一个不好的示例:

void f() {X *xPtr = new X;...delete xPtr;
}

一个更好的示例,定义类型X的局部对象:

void f() {X x;...
} // 不需要释放x的内存

在后一种实现中,对象x驻留在堆栈上,因而不需要事先为其分配内存,也不需要在函数退出时释放内存。当f()返回时,堆栈内存会自动释放,这样就避免了调用new()和delete()的巨大代价
成员数据中也存在类似的问题,但这次不是堆和栈内存之间的问题,而是选择将指针还是整个对象嵌入到包含对象中的问题
一个不好的示例:

class Z {
public:Z() : xPtr(new X) { ... }~Z() { delete xPtr; }
private:X *xPtr;...
};

在构造函数中调用new()和在析构函数中调用delete()所产生的开销明显地增加了对象Z的代价。
一个更好的示例,在Z中嵌入对象X来消除内存管理的代价:

class Z {
public:Z() { ... }~Z() { ... }
private:X x;...
};

技巧十三

通常情况下,编译器默认根本不会进行任何优化,这意味着这些重要的性能优化将不会生效,即使在代码中使用了关键字register和inline也无济于事。编译器会自动忽略这些关键字,而且它经常这样做。为了更好地利用这些优化手段,必须通过向命令行添加开关-O或者在GUI界面上选择性能优化选项。

技巧十四

缓存的原子单元以行为单位,一般来说一个缓存行可以存储大量字节,典型的缓存行有128字节。当从主内存加载4字节的整数时,并不是仅加载这4个字节,而是把包含它的整个行立即加载到缓存。当另外的缓存(在不同的处理器上运行)使这个整数无效时,整个缓存行都是无效的。因此,变量在物理内存中的布局十分重要。例如,HTStats类如果去掉smpDmz字符数组,会使两个锁相互靠近:

class HTStats {int httpReqs;int httpBytes; pthread_mutex_t lockHttp;char smpDmz[CACHE_LINE_SIZE];int sslReqs;int sslBytes;pthread_mutex_t lockSsl;...
};

两个锁lockHttp和lockSsl只相距8字节,它们很可能驻留在同一缓存行上。在P1和P2上运行的线程将不断使对方驻留的两个锁的缓存行失效。缓存一致性风暴将会严重降低性能和可扩展性,同时缓存命中率会降低到90%以下。而插入smpDmz字符数组可保证两个锁不会共享缓存行。理想情况下,锁应该放置在最靠近它所保护的共享数据附近

技巧十五

如果所有线程都要修改一个共享资源,读/写锁将不会有任何的帮助。实际上,这种类型的锁会降低性能,因为它们的实现更为复杂,所以性能就低于普通锁。但如果你的共享数据在绝大多数时间里在执行读操作,而读/写锁将消除读者线程间的竞争,可以提高扩展性。

总结

以上就是使用C++在编写代码时,提高软件性能的一些小技巧。

参考资料

《提高C++性能的编程技术》,电子工业出版社

相关内容

热门资讯

4月份银行理财规模环比增加2.... 钛媒体App 5月16日消息,银行理财市场在4月份迎来规模与收益的双增长。据华源证券廖志明团队发布的...
【光明日报】黑龙江:免签红利释... 5月10日早上7时,一辆国际大巴缓缓停靠在黑龙江绥芬河公路口岸入境大厅前。游客们提着大包小裹,依次走...
又一跨国高端化工合作项目落子乐... 5月15日,福华化学携手瑞士特种化学品企业科莱恩打造的创新型高端磷系无卤阻燃剂项目(以下简称“福华科...
鸿蒙智行:已拥有1951家销售... IT之家 5 月 15 日消息,鸿蒙智行智界 V9 发布会正在进行,官方透露目前已拥有 1951 家...
黄金、白银,直线大跌! 5月15日晚间,贵金属价格突然大跌! 截至记者发稿时,现货黄金跌超2%,暂报4553美元/盎司附近。...
央视《焦点访谈》聚焦!万兴科技... 深圳商报·读创客户端首席记者 谢惠茜 5月14日,中央电视台《焦点访谈》推出专题节目《扩能提质强服务...
东方嘉富人寿董事长履职半年被换... 文|达摩财经 东方嘉富人寿再度进行人事调整。 5月13日,东方嘉富人寿发布公告称,自2026年4月...
重返西决!文班19+6卡斯尔3... 【搜狐体育战报】北京时间5月16日NBA季后赛,客场作战的马刺以139-109击败森林狼,总比分4-...
原创 美... 十万亿美债为什么还没有崩盘?或许答案在于,中国的存在让局势与众不同。现在的美债就像一张看似脆弱的网,...
原创 茅... 最近打开股票软件看白酒板块,是不是心里拔凉拔凉的? 茅台又回到1300元区间了,五粮液跌破90元,洋...
茅台宣布涨价 5月15日深夜,“i茅台”APP发布公告称,按照随行就市、供需适配、量价平衡、相对平稳的原则,贵州茅...
最高涨200元!茅台官宣4款产... 贵州茅台(600519.SH)凌晨宣布涨价几款产品。 茅台数字营销平台“i茅台”今日(5月16日)发...
面向地方国资产融转型全链条,X... 5月15日,XOD创新投融资模式3.0产品发布会在广州举办。该产品主要面向地方国资产融协同创新转型提...
2026Q1:10家上市商超9... 截至4月30日,所有A股上市公司2026年Q1财报全部出炉,传统商超也晒出自己的成绩单。10家披露的...
入主盟科药业失利后,拟借款2.... 来源:时代周报-时代在线 继去年试图通过定增入主盟科药业(688373.SH)失败后,海鲸药业再度出...
同比激增86%、规模突破760... 图片来源:界面图库 界面新闻记者 | 孙艺真 今年以来,证券行业融资补血热潮持续升温。前5个月...
促进青年消费,扶持青年创业,上... 5月14日,上海市政协团青界别、经济界跨界别活动在市政协全过程人民民主实践点举行。 今年初,团市委立...
苹果股价昨日创收盘新高,站上3... IT之家 5 月 16 日消息,苹果公司股价昨日(5 月 15 日)收于 300.23 美元,首次站...
杭州首批配售型保障房正式入市 杭州首批配售型保障房正式入市 价格约为周边商品房5折,18日开始报名 不能入市交易,可由政府指定机构...
“后巴菲特时代”,伯克希尔调仓... 当地时间5月15日,伯克希尔披露了2026年一季度美股持仓报告。这是伯克希尔在巴菲特卸任CEO并由阿...