科研和工程中的C++编程3-代码优化

科研和工程中的C++编程代码优化浙江大学计算机学院

袁昕代码优化剖析(profile)

利用工具分析程序代码，调用频率，计算时间等。要防止：

(1)优化了错误的代码：若一个程序的主要指标不是效率，那么一切花在使其更高效上的时间都是浪费。靠直觉来判断哪段代码的主要指标是效率是不可信的，只有直接去测量。

(2)程序员经常“优化”到降低了代码的速度。这在C++是一个典型问题，一个简单的指令行可能会产生巨大数量的机器代码，应当经常检查编译器的输出，并且剖析之*。代码优化构造和析构：

未经认真设计的程序经常花费不少时间在调用构造函数，拷贝对象以及初始化临时对象等等。代码优化即便arg为0，也付出了调用Object的构造函数的代价。特别是如果arg经常是0，并且Object本身还分配内存，这种浪费会更加严重。显然的解决方案就是把obj的定义移到判断之后。在循环中定义复杂变量要注意，若在循环中按照除非需要否则不构造的原则构造了复杂的对象，那么在每一次循环的时候都要付出一次构造的代价。最好在循环外构造之，并只构造一次。如果一个函数在内循环中被调用，而该函数在栈内构造了一个对象，那么可以在外部构造并传递一个引用给它。代码优化尽量采用初始化列表，类中的成员类对象，如果在构造方法里初始化，一般是使用了等号操作符，这样就等于是调用了无参数构造方法一次，再调用一次等号操作符。而使用初始化列表则直接调用其拷贝构造方法*。要前自增不要后自增(即要++A不要A++)，后自增会产生临时对象，调用构造方法。对于整数，这没有额外的负担，但对于用户自定义类型，这就是浪费。代码优化尽量少使用有返回值的操作符，如Toperator+(constT&)等，它返回时将构造临时对象，调用构造方法。可尝试C++0x引入的新的语法：右值引用。操作符+-*/%等都需要被设计成有返回值的方法，因此方法体内部出错时，只能以抛出异常的方式来通知调用者。代码优化构造方法尽可能写轻量级代码，有些成员初始化可以使用两步的方法，构造方法什么都不作，另外设计一个方法来初始化成员。要注意类型转换会产生隐藏的临时对象，所以要针对各种类型重载操作符方法。代码优化虚函数：

虚函数的机制很简单。为了完成一个对象的虚函数调用，编译器访问对象的虚函数表，获得一个成员函数的指针，设置调用环境，然后跳转到该成员函数的地址上。一个虚函数调用的额外负担是虚函数表的间接指向；由于事先并不知道将要跳转的地址，所以也有可能造成处理器不能命中Cache。代码优化一般的C++程序都对虚函数有大量的使用，所以主要的手段是防止在那些极其重视效率的地方的虚函数调用。可以改成内联函数以省去函数调用的开销，也可以利用模版类的特点使用mix-inclass模式(混同体，设计模式书中是策略模式)。如下图：代码优化代码优化其中的模版参数T是最终派生类。这样在CXXX实例中调用XXX()方法时，将调用最终派生类CXXX中重载的DoXXX()方法，也做到了多态，但省去了虚函数表的调用开销。

Windows下ATL编程还可以在父类上进一步加ATL_NO_VTABLE关键字，如classATL_NO_VTABLECXXXImpl，目的使得父类构造方法不初始化虚函数表，从而优化时把父类虚函数表及虚函数体从最后生成的模块中删除，从而减少了可执行文件的大小，进而减少内存页的切换。代码优化在很小的、频繁使用的类上使用任何虚函数会造成额外的负担，这些都是不能接受的。由于继承一般都要用到一个或几个虚函数（至少有一个虚的析构函数），所以没必要在小而频繁使用的对象上使用任何继承。当然，继承的层次越少越好，一般3~5层足够。代码优化

MFC、Qt、WxWidget、C#、Java等都使用了单根的类继承体系，显然它们都会有上面的问题，而且用单根继承来描述世界有点怪异，使用多继承组合、概念泛化、基于对象的设计来描述世界就比较自然。关于C++类对象的内存布局，参考书有：

《深入探索C++物件模型》代码优化函数/方法参数的设计尽可能使用简单的类型，这样可以减少额外的类方法的调用。若参数类型为类，在隐式类型转换中就会调用构造方法，造成额外的调用负担。如：

voidFoo(std::string&str){…}

Foo(“aaa”);代码优化这里对Foo()的调用包括了对给定constchar*参数的构造函数的调用。在一般的实现中，这个构造函数执行了一个malloc()，一个strlen()，以及一个memcpy()。由于该例子中的string没有被更多的应用，接着就调用了析构函数，即free()。这里的内存分配完全是浪费，因为字符串“aaa”早就在程序的数据段中了，因而有它在内存中的副本。如果Foo参数定义成constchar*，那么就没有了上面所说的那些额外的调用。对应的较好的形式如下：

voidFoo(constchar*str){…}代码优化inline关键字的优化功能使用内联函数/方法可消除函数调用的系统开销，但是内联太多代码可能使应用程序很大，致使虚拟内存页的错误数增加(即内存页交换也要时间开销)。所以要检查每个函数/方法，决定是否内联，以防止生成的代码膨胀。最终运行效率以测量的时间为准(如用性能监视器

perfmon.exe)*。代码优化减少缓存未命中和页错误

缓存未命中不论出现在内部缓存中，还是出现在外部缓存中，都会降低程序的性能；而页错误由于会转到二级存储中获得程序指令和数据，也会降低程序的性能。

为避免此问题，使用具有良好引用地址的数据结构很重要，这意味着应将相关的事物合在一起。有时看上去很棒的数据结构由于引用地址不好而变得很糟，有时正好相反。代码优化

(1)动态分配的链接表可以降低程序性能，当搜索项或者在表中遍历到末尾时，每个跳过的链接都可能未命中缓存或导致页错误。基于简单数组的表实现由于较好的缓存和较少的页错误，实际上可能快得多，即使考虑到数组更难增长的事实，它仍然可能更快。代码优化

(2)使用动态分配的链接表的哈希表可能降低性能。通过扩展，使用动态分配的链接表存储内容的哈希表的性能可能显著降低。事实上，在最后的分析中，通过数组的简单线性搜索实际上可能更快（取决于具体的情况）。基于数组的哈希表（所谓的“关闭散列”）是通常具有极佳的性能但却经常被忽略的实现。代码优化

(3)排序和查找也要注意容器内元素的引用地址和预期其涉及的数据。元素的引用地址连续能提高运行效率。

(4)内存分配：尽量分配连续的内存来使用。如果经常执行小的分配，可使用自定义分配策略，先分配大的内存块，然后使用自定义的Helper函数从该块分配需要的小内存。代码优化阅读ATL和STL中的集合类(array,list,map,hash,red-blackmap)的实现代码，并对比它们使用内存的方式，分析其效率。再和数据结构书上的集合类的实现进行对比，以及对比自己的数据结构实现和C++课程作业，并得到结论。代码优化

(5)较小的工作集(由模块文件，即程序集大小来决定)意味着更好的引用地址、更少的页错误和更多的缓存命中。进程工作集是操作系统为测量引用地址而直接提供了最接近的尺度。

动态库模块尽量减少引出函数的数目，若确实较多，windows下可以通过def文件中对每个函数加NONAME属性去掉函数名字，只存储序数，从而减小dll文件大小。代码优化对于确定不会抛出异常的函数和方法，在函数/方法定义的末尾加上throw()说明，可以让编译器优化调用此函数/方法的代码。此时要确保此函数/方法不抛异常，就要自己检查函数体内每个调用，可能抛出异常的，要自己在该函数/方法中捕获该异常。如有可能，使用编译器支持的内部函数。不能忽略任何编译信息，包括警告信息。代码优化整数运算：

对于某些整数运算，可以用与、或、非、移位、加减等操作来替代较耗时的乘法、除法、幂指数、对数等运算。如：代码优化上面的代码求得不小于无符号整数x的2的幂。一般的做法是需要做一个循环，不断除2到0，根据循环次数计算幂。而上述代码显然生成的代码更简单，运算更快速。参考书：《高效程序的奥秘》代码优化配置编译器优化选项：

如：确保连接器配置为去除无用的函数和类，并设置为尺寸最小化而不是速度最大化(由于Cache命中的提高，会产生更好的运行效果)（注意在使用这项设置时检查instrinsic功能是否也处于打开状态），浮点优化选项等。

使用异常会对性能造成影响，所以要综合考虑程序鲁棒性和运行效率，针对程序不同地方的不同要求做出合适的选择。代码优化编译选项若启用运行时类型信息(RTTI)，编译器会为每一个类产生一些静态信息。RTTI一般来说是缺省启用的，这样我们的代码可以调用dynamic_cast以及检测一个对象的类型。可以考虑完全禁止使用RTTI和dynamic_cast以节省空间（有时候dynamic_cast在某些实现中需要付出很高的代价）。另一方面，当真的需要有基于类型的不同行为的时候，增加一个不同行为的虚函数是更好的面向对象设计（注意static_cast与此不同，它的效率和C语言的类型转换一样）。代码优化注意开发时使用的库以及第三方库(如boost)、共享库：要了解其系统开销，有源代码的可以调试其源代码，若无，可用工具测量其性能是否满足时间要