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讓我們一起揭秘代碼效率真相

作者： 程序喵大人
開(kāi)發(fā) 前端
本篇文章我們將繼續(xù)分析C++各種操作的效率，包括不同類型變量的存儲(chǔ)效率，使用智能指針、循環(huán)、函數(shù)參數(shù)、虛函數(shù)、數(shù)組等的效率，以及如何做針對(duì)性優(yōu)化，或選擇更有效的替代方案。

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大家好，我是逐漸過(guò)氣的程序喵。

本篇文章我們將繼續(xù)分析C++各種操作的效率，包括不同類型變量的存儲(chǔ)效率，使用智能指針、循環(huán)、函數(shù)參數(shù)、虛函數(shù)、數(shù)組等的效率，以及如何做針對(duì)性優(yōu)化，或選擇更有效的替代方案。

詳細(xì)目錄看下圖：

類和結(jié)構(gòu)體

現(xiàn)今流行面向?qū)ο缶幊蹋瑐€(gè)人也認(rèn)為這是一種使代碼更加清晰和模塊化的方法。面向?qū)ο缶幊田L(fēng)格優(yōu)缺點(diǎn)明顯，優(yōu)點(diǎn)是：

  1. 如果變量是同一結(jié)構(gòu)體或類的成員，則一起使用的變量也存儲(chǔ)在一塊，這樣數(shù)據(jù)緩存更有效。
  2. 類成員變量不需要作為參數(shù)傳遞給類成員函數(shù)，省去了參數(shù)傳遞的開(kāi)銷。

缺點(diǎn)是：

  1. 一些程序員把代碼分成太多的小類，沒(méi)太大必要且效率低。
  2. 非靜態(tài)成員函數(shù)有一個(gè)this指針，它會(huì)作為隱式參數(shù)傳遞給函數(shù)，這會(huì)產(chǎn)生一部分開(kāi)銷，特別是在32位系統(tǒng)中，寄存器是稀缺資源，this指針會(huì)占用一個(gè)寄存器。
  3. 虛函數(shù)效率較低

類和成員函數(shù)的開(kāi)銷其實(shí)并沒(méi)有特別大，如果面向?qū)ο箫L(fēng)格可以使程序結(jié)構(gòu)更加清晰，我們只要避免在程序最關(guān)鍵的部分使用太多的函數(shù)調(diào)用，就不要擔(dān)心它的開(kāi)銷。

類的數(shù)據(jù)成員

當(dāng)創(chuàng)建類或結(jié)構(gòu)體的實(shí)例時(shí)，其數(shù)據(jù)成員按其聲明的順序連續(xù)存儲(chǔ)。大多數(shù)編譯器都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行內(nèi)存對(duì)齊，這種對(duì)齊可能會(huì)在成員大小混合的結(jié)構(gòu)體或類中，造成未使用字節(jié)的空洞。

  1. struct S1 { 
  2.     short int a; // 2字節(jié) 
  3.     // 6個(gè)空洞 
  4.     double b; // 8 
  5.     int d; // 4 
  6.     // 4個(gè)空洞 
  7. }; 
  8. S1 ArrayOfStructures[100]; 

這里，在a和b之間有6個(gè)未使用的字節(jié)，因?yàn)閎必須從一個(gè)能被8整除的地址開(kāi)始。最后還有4個(gè)未使用的字節(jié)。這樣做的原因是，數(shù)組中S1的下一個(gè)實(shí)例必須從一個(gè)能被8整除的地址開(kāi)始，以便將其b成員以8對(duì)齊。通過(guò)將最小的成員放在最后，未使用的字節(jié)數(shù)可以減少到2：

  1. struct S1 { 
  2.     double b; // 8 
  3.     int d; // 4 
  4.     short int a; // 2 
  5.     // 2個(gè)空洞 
  6. }; 
  7. S1 ArrayOfStructures[100]; 

這種重新排序使結(jié)構(gòu)變小了8個(gè)字節(jié)，整個(gè)數(shù)組變小了800個(gè)字節(jié)。

通過(guò)重新排序數(shù)據(jù)成員，結(jié)構(gòu)對(duì)象和類對(duì)象通常可以變小。如果不確定一個(gè)結(jié)構(gòu)或它的每個(gè)成員有多大，可以使用sizeof，它的返回值包括對(duì)象末尾的任何未使用的字節(jié)。

如果成員相對(duì)于結(jié)構(gòu)體或類開(kāi)頭的偏移量小于128，則訪問(wèn)數(shù)據(jù)成員的代碼會(huì)更緊湊，因?yàn)樵撈屏靠梢员硎緸?位有符號(hào)的數(shù)字。如果相對(duì)于結(jié)構(gòu)體或類的開(kāi)頭的偏移量是128字節(jié)或更大，那么偏移量必須表示為一個(gè)32位數(shù)字(指令集在8位到32位之間沒(méi)有偏移量)。例如：

  1. struct S2 { 
  2.     int a[100]; // 400 
  3.     int b; // 4 
  4.     int ReadB() {return b;} 
  5. }; 

b的偏移量是400。任何通過(guò)指針或成員函數(shù)(如ReadB)訪問(wèn)b的代碼，都需要將偏移量編碼為32位數(shù)字。如果交換了a和b，則兩者都可以通過(guò)編碼為8位有符號(hào)數(shù)字的偏移量來(lái)訪問(wèn)，或者根本沒(méi)有偏移量。這使代碼更緊湊，以便更有效地使用Cache。因此，建議在結(jié)構(gòu)或類聲明中，大數(shù)組和其他大對(duì)象排在最后，最常用的數(shù)據(jù)成員排在前面。如果不能在前128個(gè)字節(jié)內(nèi)包含所有數(shù)據(jù)成員，則將最常用的成員放在前128個(gè)字節(jié)中。

類的成員函數(shù)

每次聲明或創(chuàng)建類的新對(duì)象時(shí)，都會(huì)生成數(shù)據(jù)成員的新實(shí)例。但無(wú)論多少類的實(shí)例，成員函數(shù)只有一份。調(diào)用成員函數(shù)和使用結(jié)構(gòu)指針或引用來(lái)調(diào)用簡(jiǎn)單函數(shù)一樣快。

  1. struct S3 { 
  2.     int a; 
  3.     int b; 
  4.     int Sum1() {return a + b;} 
  5. }; 
  6. int Sum2(S3* p) {return p->a + p->b;} 
  7. int Sum3(S3& r) {return r.a + r.b;} 

這三個(gè)函數(shù)Sum1, Sum2和Sum3，做的是完全相同的事情，而且它們的效率是一樣的。有些編譯器會(huì)為這三個(gè)函數(shù)生成完全相同的代碼。Sum1有一個(gè)隱式的this指針，它和Sum2和Sum3中的p和r做同樣的事情。讓函數(shù)成為類的成員，還是給它一個(gè)指向類或結(jié)構(gòu)的指針或引用，這只是編程風(fēng)格的問(wèn)題。一些編譯器通過(guò)在寄存器中傳輸this指針，使Sum1在32位Windows中比Sum2和Sum3更有效率。

靜態(tài)成員函數(shù)不能訪問(wèn)任何非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員或非靜態(tài)成員函數(shù)。靜態(tài)成員函數(shù)比非靜態(tài)成員函數(shù)更快，因?yàn)樗恍枰猼his指針。如果成員函數(shù)，它不需要任何非靜態(tài)成員訪問(wèn)，可以通過(guò)將它們?cè)O(shè)為靜態(tài)函數(shù)來(lái)加快速度。

虛函數(shù)

虛函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)多態(tài)，多態(tài)是面向?qū)ο缶幊滔鄬?duì)于非面向?qū)ο缶幊绦实偷闹饕蛑?。如果可以避免虛函?shù)的使用，那可以提高程序的運(yùn)行效率，一般情況下，可以考慮使用編譯時(shí)多態(tài)替代運(yùn)行時(shí)多態(tài)。關(guān)于虛函數(shù)為什么導(dǎo)致程序效率低，可以看我之前的文章：《》

RTTI

RTTI，運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別，會(huì)向所有類對(duì)象添加額外的信息，所以效率不高，可以考慮關(guān)閉RTTI選項(xiàng)來(lái)提高程序效率。

繼承

派生類對(duì)象的實(shí)現(xiàn)方式，與包含父類和子類成員的簡(jiǎn)單類對(duì)象相同。父類和子類的成員訪問(wèn)速度相同。通常，我們可以認(rèn)為使用繼承幾乎不會(huì)對(duì)性能造成任何損失。

然而這些情況下，效率稍微會(huì)有所下降：

  • 子類包括父類的所有數(shù)據(jù)成員，即便子類不需要父類的數(shù)據(jù)成員。
  • 父類數(shù)據(jù)成員的大小添加到子類成員的偏移量中。訪問(wèn)總偏移量大于127字節(jié)的數(shù)據(jù)成員的代碼稍微不那么緊湊。

繼承多個(gè)父類，可能會(huì)導(dǎo)致指向基類指針訪問(wèn)派生類的對(duì)象時(shí)更復(fù)雜。我們可以通過(guò)在派生類中創(chuàng)建對(duì)象來(lái)避免多重繼承，即組合替代繼承：

  1. class B1; 
  2. class B2; 
  3. class D : public B1, public B2 { 
  4. public: 
  5.     int c; 
  6. }; 

換成這樣：

  1. class B1; 
  2. class B2; 
  3. class D : public B1 { 
  4. public: 
  5.     B2 b2; 
  6.     int c; 
  7. }; 

一般來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)繼承對(duì)程序的邏輯結(jié)構(gòu)有利時(shí)，才應(yīng)該使用繼承。

位域

位可以使數(shù)據(jù)更加緊湊。訪問(wèn)位成員比訪問(wèn)結(jié)構(gòu)體的普通成員效率低。如果大的數(shù)組可以以此來(lái)節(jié)省代碼空間，那么稍微犧牲點(diǎn)效率也未嘗不可。

使用<<和|操作組合位字段比單獨(dú)編寫(xiě)成員更快。例如：

  1. struct Bitfield { 
  2.     int a:4; 
  3.     int b:2; 
  4.     int c:2; 
  5. }; 
  6. Bitfield x; 
  7. int A, B, C; 
  8. x.a = A; 
  9. x.b = B; 
  10. x.c = C; 

假設(shè)A、B和C的值太小，不會(huì)導(dǎo)致溢出，可以通過(guò)以下方式改進(jìn)這段代碼:

  1. union Bitfield { 
  2.     struct { 
  3.         int a:4; 
  4.         int b:2; 
  5.         int c:2; 
  6.     }; 
  7.     char abc; 
  8. }; 
  9. Bitfield x; 
  10. int A, B, C; 
  11. x.abc = A | (B<<4) | (C<<6); 

如果需要防止溢出可以這樣:

  1. x.abc = (A & 0x0F) | ((B & 3) << 4) | ((C & 3) <<6 ); 

函數(shù)重載

重載的函數(shù)，只是作為不同的函數(shù)來(lái)處理，和普通函數(shù)相同，沒(méi)有任何性能代價(jià)，可放心使用。

運(yùn)算符重載

重載運(yùn)算符等同于函數(shù)。使用重載運(yùn)算符與使用普通函數(shù)的效率完全相同。帶有多個(gè)重載運(yùn)算符的表達(dá)式，會(huì)導(dǎo)致為中間結(jié)果創(chuàng)建臨時(shí)對(duì)象，這樣效率較低。例如：

  1. class vector { 
  2. public: 
  3.     float x, y; 
  4.     vector() {} 
  5.     vector(float a, float b) {x = a; y = b;} 
  6.     vector operator + (vector const &a) { 
  7.         return vector(x+a.x, y+a.y); 
  8.     }     
  9. }; 
  10. vector a, b, c, d; 
  11. a = b + c + d; // 產(chǎn)生了中間對(duì)象(b+c) 

可以通過(guò)加入以下操作來(lái)避免為中間結(jié)果(b+c)創(chuàng)建臨時(shí)對(duì)象:

  1. a.x = b.x + c.x + d.x; 
  2. a.y = b.y + c.y + d.y; 

在簡(jiǎn)單情況下，大多數(shù)編譯器可能會(huì)自動(dòng)進(jìn)行這種優(yōu)化。

模板

在編譯之前，模板的參數(shù)被它們的值所替換，這一點(diǎn)上，模板與宏相似。下面的例子說(shuō)明了函數(shù)參數(shù)和模板參數(shù)的區(qū)別：

  1. // Example 7.46 
  2. int Multiply (int x, int m) { 
  3.     return x * m; 
  4. } 
  5. template <int m> 
  6. int MultiplyBy (int x) { 
  7.     return x * m; 
  8. } 
  9. int a, b; 
  10. a = Multiply(10,8); 
  11. b = MultiplyBy<8>(10); 

a和b都會(huì)得到值10 * 8 = 80。區(qū)別在于m傳遞到函數(shù)的方式。在這個(gè)簡(jiǎn)單函數(shù)中，m在運(yùn)行時(shí)從調(diào)用方轉(zhuǎn)移到被調(diào)用方。但是在模板函數(shù)中，m的值在編譯時(shí)就被替換，這樣編譯器看到的是常量8而不是變量m。

模板參數(shù)相對(duì)于使用函數(shù)參數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是避免了參數(shù)傳遞的開(kāi)銷，缺點(diǎn)是編譯器需要為模板參數(shù)的每個(gè)不同值創(chuàng)建一個(gè)模板函數(shù)的新實(shí)例。如果在這個(gè)例子中，用許多不同的因子作為模板參數(shù)調(diào)用MultiplyBy，那么生成的代碼可能會(huì)變得非常大。

在上例中，模板函數(shù)比簡(jiǎn)單函數(shù)快，因?yàn)榫幾g器知道它可以通過(guò)使用移位操作乘以2的冪。x*8被替換為x<<3，這樣更快。在簡(jiǎn)單函數(shù)的情況下，編譯器不知道m(xù)的值，因此不能進(jìn)行優(yōu)化，除非函數(shù)可以內(nèi)聯(lián)。(在上面的例子中，編譯器能夠內(nèi)聯(lián)和優(yōu)化這兩個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)函數(shù)，將80存于a和b中。但在更復(fù)雜的情況下，它可能做不了這種優(yōu)化)。

模板參數(shù)也可以是類型，想必大家也經(jīng)常使用這種類型不同的模板吧。模板之所以高效，是因?yàn)槟０鍏?shù)總是在編譯時(shí)解析。模板使源代碼更復(fù)雜，但不會(huì)使編譯后的代碼更復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，使用模板在運(yùn)行速度方面沒(méi)有開(kāi)銷。

如果模板參數(shù)完全相同，兩個(gè)或多個(gè)模板實(shí)例將被連接到一個(gè)模板實(shí)例中。如果模板參數(shù)不同，那么編譯器會(huì)為每組模板參數(shù)生成一個(gè)實(shí)例。帶有許多實(shí)例的模板會(huì)使編譯后的代碼變大。模板的過(guò)度使用，會(huì)使代碼難于閱讀。如果模板只有一個(gè)實(shí)例，我們可以使用#define、const或typedef來(lái)代替模板形參。

模板可實(shí)現(xiàn)編譯時(shí)多態(tài)，在某些情況下，我們可以使用編譯時(shí)多態(tài)替代運(yùn)行時(shí)多態(tài)。

線程

線程想必大家都知道，充分利用多核系統(tǒng)的最佳方法，是將任務(wù)劃分為多個(gè)線程。然后，每個(gè)線程都可以在自己的CPU內(nèi)核上運(yùn)行。

在優(yōu)化多線程程序時(shí)，需要考慮幾種開(kāi)銷：

  1. 啟動(dòng)和停止線程的成本：如果一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間，比它啟動(dòng)和停止線程的時(shí)間還要短，那就不要把它放到單獨(dú)的線程中。
  2. 上下文切換的成本：如果線程數(shù)量不超過(guò)CPU的數(shù)量，開(kāi)銷最小。
  3. 線程間同步和通信的成本。信號(hào)量、互斥鎖等的開(kāi)銷相當(dāng)大，如果兩個(gè)線程為了訪問(wèn)同一資源而經(jīng)常相互等待，那么最好將它們放到一個(gè)線程中。在多個(gè)線程之間共享的變量須聲明為volatile，這可以防止編譯器將該變量存儲(chǔ)在寄存器中，而該寄存器在線程之間不共享。

異常和錯(cuò)誤處理

關(guān)于異常和錯(cuò)誤處理我之前寫(xiě)過(guò)一篇文章你的c++團(tuán)隊(duì)還在禁用異常處理嗎?，大家可以看看，使用異常來(lái)處理錯(cuò)誤是個(gè)很有效的方法，異常處理目的是以一種優(yōu)雅的方式檢測(cè)很少發(fā)生的錯(cuò)誤，并從錯(cuò)誤情況中恢復(fù)。使用異常處理有些缺點(diǎn)我們需要知道：

  • 打開(kāi)exception選項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致程序空間增大10%左右
  • 帶有try-catch的代碼運(yùn)行效率和普通代碼類似，但也肯定沒(méi)有普通代碼效率高(看編譯器優(yōu)化的程度)
  • 一旦發(fā)生異常，程序運(yùn)行速度明顯下降

某些明確不會(huì)產(chǎn)生異常的函數(shù)可以考慮加noexcept修飾，讓編譯器進(jìn)行最大程度的優(yōu)化。

如果不需要從錯(cuò)誤中恢復(fù)，則不需要進(jìn)行異常處理，建議使用系統(tǒng)的、經(jīng)過(guò)深思熟慮的方法來(lái)處理錯(cuò)誤。

預(yù)處理指令

預(yù)處理指令，所有以#開(kāi)頭的指令，在程序性能方面沒(méi)有任何開(kāi)銷，因?yàn)樗鼈兪窃诔绦蚓幾g之前解析的。

#if指令對(duì)于支持使用同一源代碼的多個(gè)平臺(tái)或多個(gè)配置很有用。#if比if更高效，因?yàn)?if在編譯時(shí)解析，而if在運(yùn)行時(shí)解析。

定義常量時(shí)，#define指令等價(jià)于const定義。例如，#define ABC 123和const int ABC = 123; 同樣有效，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，優(yōu)化編譯器可以用整數(shù)常量的值替換整數(shù)常量。然而，在某些情況下，const int聲明可能占用內(nèi)存空間，而#define指令則不會(huì)占用內(nèi)存空間。使用宏有些時(shí)候比普通函數(shù)更有效。

命名空間

盡管使用命名空間吧，不用擔(dān)心，在速度方面沒(méi)有任何開(kāi)銷。

上面分析了不同操作的效率以及如何針對(duì)性做一些優(yōu)化，在網(wǎng)上我也找到了一個(gè)圖，圖里列出了不同的操作占用的CPU時(shí)鐘周期：

我們可以仔細(xì)看看上圖，在編碼時(shí)選擇效率更高的操作。

參考資料

https://www.agner.org/optimize/

 

責(zé)任編輯：武曉燕 來(lái)源： 程序喵大人
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文件操作數(shù)據(jù)源

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數(shù)組操作內(nèi)存

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C# 類型數(shù)據(jù)

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