具體描述
內容簡介
在當今飛速發展和充滿競爭的世界中,對於客戶而言,程序的性能與功能一樣重要。這本實踐指南為開發人員講解在C++中實現優化的性能調優原則。你將學習如何令已經包含瞭C++設計實踐的代碼在任何計算機上——無論是手錶、電話、工作站、超級計算機還是全球服務器網絡——很快地運行並消耗少的資源。
作者提供瞭幾個運行示例,演示如何逐步應用這些原則以改進現有代碼,從而滿足客戶對響應速度和數據吞吐量的要求。 作者簡介
Kurt Guntheroth,是一位有超過35年經驗的軟件開發人員,其中25年的時間被他用來編寫大量C++代碼。他在Windows、Linux和嵌入式設備上開發。kurt住在華盛頓州西雅圖市。 目錄
Preface
1. An Overview of Optimization
Optimization Is Part of Software Development
Optimization Is Effective
It's OK to Optimize
A Nanosecond Here, a Nanosecond There
Summary of Strategies for Optimizing C++ Code
Use a Better Compiler, Use Your Compiler Better
Use Better Algorithms
Use Better Libraries
Reduce Memory Allocation and Copying
Remove Computation
Use Better Data Structures
Increase Concurrency
Optimize Memory Management
Summary
2. Computer Behavior Affecting Optimization
Lies C++ Believes About Computers
The Truth About Computers
Memory Is Slow
Memory Is Not Accessed in Bytes
Some Memory Accesses Are Slower than Others
Memory Words Have a Big End and a Little End
Memory Has Finite Capacity
Instruction Execution Is Slow
Making Decisions Is Hard for Computers
There Are Multiple Streams of Program Execution
Calling into the Operating System Is Expensive
C++ Tells Lies Too
All Statements Are Not Equally Expensive
Statements Are Not Executed in Order
Summary
3. Measure Performance
The Optimizing Mindset
Performance Must Be Measured
Optimizers Are Big Game Hunters
The 90/10 Rule
Amdahl's Law
Perform Experiments
Keep a Lab Notebook
Measure Baseline Performance and Set Goals
You Can Improve Only What You Measure
Profile Program Execution
Time Long-Running Code
'~ Little Learning" About Measuring Time
Measuring Time with Computers
Overcoming Measurement Obstacles
Create a Stopwatch Class
Time Hot Functions in a Test Harness
Estimate Code Cost to Find Hot Code
Estimate the Cost of Individual C++ Statements
Estimate the Cost of Loops
Other Ways to Find Hot Spots
Summary
4. Optimize String Use: A Case Study
Why Strings Are a Problem
Strings Are Dynamically Allocated
Strings Are Values
Strings Do a Lot of Copying
First Attempt at Optimizing Strings
Use Mutating String Operations to Eliminate Temporaries
Reduce Reallocation by Reserving Storage
Eliminate Copying of String Arguments
Eliminate Pointer Dereference Using Iterators
Eliminate Copying of Returned String Values
Use Character Arrays Instead of Strings
……
5. Optimize Algorithms
6. Optimize Dynamically Allocated Variables
7. Optimize Hot Statements
8. Use Better Libraries
9. Optimize Searching and Sorting
10. Optimize Data Structures
11. Optimize I/0
12. Optimize Concurrency
13. Optimize Memory Management 精彩書摘
《C++性能優化手冊(影印版 英文版)》:
A sundial makes use of the periodic off—plane rotation of the Earth.By definition,one full rotation is one day The Earth makes an imperfect clock because its period is long,and because its rotation speeds up and slows down detectably (in microseconds) as the continents drift slowly across its surface.This variation is random.Tidal forces from the Moon and Sun slow the overall rate of the Earth's rotation.This variation is systematic.
A grandfather clock counts the regular swinging of a pendulum.Gears divide the pendulum's swing down to drive hands that display the time.The period of the pendulum may be manually adjusted so that the displayed time is synchronized to the Earth's rotation.The period of a pendulum's swing depends on the weight of the pendulum and its length,so that every swing may be faster or slower than desired.This variation is systematic.Friction,air pressure,and the accumulation of dust may all affect a pendulum even ifit is initially set perfectly.These are random sources of variation.
……
《C++性能優化實戰精粹》 前言 在當今軟件開發領域,效率與速度已成為衡量應用程序質量的關鍵指標。尤其是在遊戲開發、高頻交易、嵌入式係統、科學計算以及任何對實時響應要求極高的場景中,C++的強大性能潛力得以充分釋放,但也伴隨著對精細化調優的嚴苛要求。本書旨在深入剖析C++語言的底層機製,揭示性能瓶頸的根源,並提供一套係統、實操性強的性能優化策略。我們不追求“銀彈”,而是緻力於幫助開發者建立一種嚴謹的性能意識,掌握科學的分析方法,並熟練運用各種優化技巧,從而打造齣更加高效、可靠的C++應用程序。 第一章:性能優化的基石——深入理解C++內存模型與底層運作 本章將從最基礎的層麵入手,為後續的性能分析和優化打下堅實的基礎。我們將詳細探討C++的內存模型,包括棧、堆、全局/靜態存儲區以及常量存儲區。理解它們的生命周期、分配與迴收機製,是避免內存泄漏、棧溢齣以及不必要內存開銷的前提。 棧: 深入分析棧幀的創建與銷毀,局部變量的作用域與生命周期,函數調用的開銷,遞歸與尾遞歸優化。 堆: 詳解 `new` / `delete`、`malloc` / `free` 的工作原理,理解動態內存分配的碎片化問題,以及如何通過內存池、對象復用等技術來緩解。 全局/靜態存儲區: 探討靜態變量與全局變量的初始化順序、生命周期,以及它們對程序啓動時間和內存占用的影響。 常量存儲區: 理解字符串字麵量、const對象的存儲位置及其不可修改性,以及其對性能的影響。 內存對齊與緩存行: 解釋CPU緩存(L1, L2, L3)的工作原理,緩存行(Cache Line)的概念,以及數據結構內存對齊為何對緩存命中率至關重要。我們將演示如何通過調整結構體成員順序、使用對齊指令等方式來優化數據訪問效率。 C++對象的生命周期與構造/析構: 詳細講解對象的創建、拷貝、移動和銷毀過程,理解構造函數、拷貝構造函數、拷貝賦值運算符、移動構造函數、移動賦值運算符以及析構函數的調用時機和開銷。 第二章:性能分析的利器——剖析Profiling與Benchmarking技術 沒有測量就沒有優化。本章將聚焦於如何科學地識彆性能瓶頸。我們將介紹多種常用的性能分析工具和方法,幫助開發者精準定位代碼中的“慢”之處。 Profiling基礎: 概念與原理: 介紹儀器化(Instrumentation)、抽樣(Sampling)等Profiling技術。 常用Profiling工具: gprof (GNU Profiler): 介紹其基本用法,如何生成和解讀call graph,以及其局限性。 Valgrind (Callgrind/Cachegrind): 深入講解Valgrind的強大功能,特彆側重於Callgrind(函數調用分析)和Cachegrind(緩存性能分析)。演示如何使用它來查找函數調用次數、執行時間分布以及緩存未命中情況。 Perf (Linux Performance Analysis Tools): 介紹Linux下強大的係統級性能分析工具,包括事件計數、性能計數器(PMC)的使用,以及如何分析CPU、內存、I/O等方麵的瓶頸。 Visual Studio Profiler / Xcode Instruments: 介紹集成開發環境(IDE)內置的Profiling工具,其便捷的圖形化界麵和易用性。 Benchmarking實踐: 為何需要Benchmarking: 區分Profiling與Benchmarking,強調Benchmarking在驗證優化效果、對比不同實現方案時的作用。 Google Benchmark Library: 詳細介紹Google Benchmark的API,如何編寫精確的性能測試,如何進行多次迭代、排除JIT(Just-In-Time)編譯或編譯器優化的影響,以及如何生成詳細的性能報告。 編寫有效的Benchmark: 討論在設計Benchmark時需要注意的陷阱,如測試數據的代錶性、避免外部乾擾、考慮緩存預熱等。 第三章:代碼層麵的藝術——精通C++編譯器優化與語言特性利用 編譯器是程序性能的“魔法師”,理解其優化原理並善加利用,能夠顯著提升代碼執行效率。本章將深入探討C++語言特性如何與編譯器優化協同工作,以及如何編寫“編譯器友好”的代碼。 理解編譯器的優化級彆: O0, O1, O2, O3, Os, Oz: 解釋不同優化級彆的含義和側重點(速度vs大小)。 Profile-Guided Optimization (PGO): 深入講解PGO的概念和工作流程,演示如何通過收集實際運行數據來指導編譯器進行更精準的優化,顯著提升熱點代碼的性能。 常見的編譯器優化技術: 內聯(Inlining): 解釋函數內聯的作用,包括普通函數內聯、模闆函數內聯、`inline`關鍵字的語義。討論何時應該手動內聯,以及編譯器在處理內聯時的權衡。 循環展開(Loop Unrolling): 闡述循環展開如何減少循環控製開銷,提高指令並行性。演示手動進行循環展開的場景和注意事項。 死代碼消除(Dead Code Elimination): 解釋編譯器如何移除無用的代碼。 常量摺疊(Constant Folding)與常量傳播(Constant Propagation): 描述編譯器如何提前計算常量錶達式,減少運行時計算。 函數內聯(Function Inlining)與過程間優化(Interprocedural Optimization - IPO): 深入分析編譯器如何跨函數進行優化。 嚮量化(Vectorization): 介紹SIMD(Single Instruction, Multiple Data)指令集(如SSE, AVX),以及編譯器如何自動將循環轉換為嚮量化指令,實現數據並行處理。 寄存器分配(Register Allocation): 解釋編譯器如何高效利用CPU寄存器,減少內存訪問。 C++語言特性與性能: 值傳遞 vs 引用傳遞 vs 指針傳遞: 分析它們在復製開銷、內存訪問上的差異。 `const`的性能影響: `const`變量如何幫助編譯器進行優化。 `constexpr`與模闆元編程: 講解它們如何實現編譯時計算,將大量計算移到編譯期。 RAII (Resource Acquisition Is Initialization): 強調RAII模式在資源管理上的優勢,避免內存泄漏,並對性能的影響。 移動語義(Move Semantics)與右值引用(Rvalue References): 詳細闡述移動構造函數和移動賦值運算符如何通過“竊取”資源來避免昂貴的深拷貝,顯著提升大數據結構(如 `std::vector`, `std::string`)的性能。 零成本抽象(Zero-Cost Abstractions): 討論C++如何通過模闆、RAII等特性實現高級抽象,同時不引入運行時性能開銷。 現代C++特性(C++11/14/17/20): 重點關注如lambda錶達式、智能指針、`std::thread`、`std::future`、`std::async`、`std::span`等特性對性能的影響,以及如何正確使用它們。 第四章:數據結構的智慧——選擇與優化你的數據組織方式 數據結構的選擇直接影響算法的性能,進而影響整個應用程序的效率。本章將深入分析常見C++標準庫(STL)容器的性能特徵,以及自定義數據結構的優化策略。 STL容器的性能剖析: `std::vector`: 深入分析其動態數組的內存布局、插入/刪除操作的平均和最壞情況復雜度,以及`reserve()`的重要性。 `std::list`: 剖析其雙嚮鏈錶的特性,插入/刪除的O(1)復雜度,以及緩存不友好的問題。 `std::deque`: 解釋其塊狀存儲結構,在首尾進行高效插入/刪除的優勢,以及隨機訪問的性能。 `std::map` / `std::set` (紅黑樹): 分析其O(log N)的插入/刪除/查找復雜度,以及內存開銷。 `std::unordered_map` / `std::unordered_set` (哈希錶): 講解其平均O(1)的查找性能,以及散列函數設計、衝突解決策略對性能的影響。 `std::string`: 討論其內存管理、拷貝與移動語義,以及常見操作(如拼接、查找)的性能。 自定義數據結構的性能考量: 緩存友好性(Cache Locality): 如何設計數據結構以最大化緩存命中率,例如使用數組、結構體數組、Slab分配器等。 內存分配策略: 探討內存池(Memory Pool)、對象池(Object Pool)等技術,減少動態內存分配的頻繁開銷,緩解碎片化。 打包(Packing)與對齊(Alignment): 如何通過調整數據成員的順序和使用特定的內存對齊策略來優化訪問速度。 位域(Bitfields): 在需要大量布爾或枚舉值時,如何使用位域來節省內存,以及其對訪問性能的影響。 容器的選擇原則: 根據訪問模式(隨機訪問、順序訪問、插入/刪除位置)、數據量、是否需要排序、是否需要唯一性等因素,選擇最閤適的容器。 演示如何通過Benchmarking來驗證不同容器在特定場景下的性能錶現。 第五章:並發與並行——解鎖多核處理器的強大能力 現代處理器普遍具備多核特性,如何有效地利用多綫程和並行計算是提升程序性能的關鍵。本章將深入探討C++中的並發與並行編程技術。 綫程基礎: `std::thread`: 詳解綫程的創建、銷毀、join(等待)、detach(分離)。 綫程同步機製: 互斥量(Mutex): `std::mutex`, `std::recursive_mutex`, `std::timed_mutex`,以及`std::lock_guard`和`std::unique_lock`的使用,理解鎖的粒度與粒度過大會導緻的問題。 條件變量(Condition Variable): `std::condition_variable`,用於綫程間的協作與通知。 原子操作(Atomic Operations): `std::atomic`,在無鎖情況下實現綫程安全,避免競態條件。 讀寫鎖(Reader-Writer Lock): 簡述其在高讀低寫場景下的性能優勢。 並發編程模式: Producer-Consumer模式: 經典的多綫程協作模式,使用隊列和鎖/條件變量實現。 Thread Pool(綫程池): 講解綫程池的原理和實現,如何復用綫程,減少綫程創建銷毀的開銷。 並行計算(Data Parallelism): `std::async`, `std::future`, `std::promise`: 介紹C++11提供的異步編程模型,實現任務的並行執行並獲取結果。 並行算法(C++17 `std::execution`): 介紹如何使用`std::execution::par`、`std::execution::par_unseq`等策略來並行化STL算法。 OpenMP / TBB (Intel Threading Building Blocks): 介紹第三方並行計算框架,它們提供瞭更強大的並行編程能力和優化選項。 並發性能的挑戰與優化: 競態條件(Race Conditions): 識彆和避免競態條件。 死鎖(Deadlocks): 理解死鎖的産生條件,以及如何設計避免死鎖。 鎖競爭(Lock Contention): 頻繁的鎖競爭會導緻性能下降,探討減小鎖粒度、使用無鎖數據結構等方法。 假共享(False Sharing): 解釋多核CPU緩存同步機製如何導緻即使訪問不同數據也可能引起緩存行無效化,影響性能。 任務分解(Task Decomposition): 如何將大任務分解成更小的、可並行的子任務。 第六章:I/O性能優化——加速數據讀寫 慢速的I/O操作往往成為應用程序的性能瓶頸,尤其是在處理大量數據時。本章將聚焦於C++中的I/O性能優化技術。 標準C++ I/O流(`iostream`): 性能問題剖析: `cin`/`cout`的同步、緩衝機製、以及不當使用帶來的性能損耗。 優化技巧: `std::ios_base::sync_with_stdio(false);` `std::cin.tie(nullptr);` 使用 `std::stringstream`: 將I/O先寫入內存,再批量輸齣。 預分配緩衝區(`std::basic_ios::rdbuf()->pubsetbuf()`): C風格I/O (`cstdio`): `fread`, `fwrite`, `printf`, `scanf`: 介紹其直接操作文件緩衝區的特性,以及在某些場景下可能比`iostream`更高效的原因。 緩衝機製: 全緩衝、行緩衝、無緩衝。 內存映射文件(Memory-Mapped Files): 概念與優勢: 講解內存映射如何將文件內容直接映射到進程地址空間,實現高效的文件訪問,繞過用戶空間和內核空間的拷貝。 `mmap` (POSIX) / `CreateFileMapping` (Windows): 簡述其在不同平颱上的使用。 異步I/O (Asynchronous I/O - AIO): 概念: 應用程序發起I/O請求後立即返迴,I/O操作在後颱進行,完成時通過迴調或事件通知。 平颱相關的AIO接口: 簡述`io_uring` (Linux) 等現代異步I/O框架。 網絡I/O優化: 非阻塞I/O與事件驅動模型(Event-Driven I/O): 如`epoll` (Linux), `kqueue` (BSD/macOS), IOCP (Windows)。 使用高性能網絡庫: 如Boost.Asio, libuv。 第七章:通用性能優化原則與最佳實踐 除瞭具體的技巧,掌握一套通用的性能優化原則和最佳實踐,能幫助開發者構建齣更具可維護性和可擴展性的高性能代碼。 “過早優化是萬惡之源”: 強調在需求明確、代碼可讀性高的前提下進行優化,避免為不存在的性能問題而過度設計。 “測量,測量,再測量”: 重申Profiling和Benchmarking的重要性,用數據驅動優化決策。 “選擇正確的算法和數據結構”: 算法的時間復雜度通常比常數因子更重要。 “最小化數據復製”: 引用、指針、移動語義是減少復製的利器。 “減少不必要的計算”: 緩存計算結果,利用編譯時計算,優化循環。 “理解CPU緩存與內存訪問模式”: 順序訪問優於隨機訪問,結構體的成員布局影響緩存。 “避免昂貴的函數調用”: 內聯、局部變量的使用。 “優化I/O操作”: 批量處理、異步I/O。 “利用並行與並發”: 閤理分解任務,選擇閤適的同步機製。 “瞭解你的平颱與工具鏈”: 編譯器、操作係統、硬件對性能的影響。 “代碼可讀性與性能的平衡”: 並非所有性能提升都值得以犧牲代碼可讀性為代價。 “持續學習與迭代”: 性能優化是一個不斷探索和改進的過程。 附錄 常用性能調優術語錶 推薦的Profiling與Benchmarking工具列錶 C++語言特性與性能影響速查錶 結語 性能優化是一門藝術,更是一門科學。它要求開發者不僅要熟練掌握C++語言的語法和標準庫,更要深入理解計算機體係結構、操作係統原理以及編譯器的工作機製。本書提供瞭係統性的知識框架和實踐指導,希望能幫助廣大C++開發者在追求極緻性能的道路上,走得更遠,看得更清。願您通過本書的學習,能夠寫齣真正高效、卓越的C++代碼。