C++优化热点语句

优化热点语句

提前计算固定值

先观察下面的性能测试代码：

static void find_blank(benchmark::State& state) {

    for (auto _: state) {
        char s[] = "This string has many space (0x20) chars. ";

        for (size_t i = 0; i < strlen(s); ++i)
            if (s[i] == ' ')
                s[i] = '*';
    }
}
BENCHMARK(find_blank);

这段代码对字符串中的每个字符都会判断循环条件 i < strlen(s) 是否成立 1。调用strlen() 的开销是昂贵的，遍历参数字符串对它的字符计数使得这个算法的开销从 O(n)变为了 O(n2)。这是一个在库函数中隐藏了循环的典型例子

既然，每次strlen()调用都会导致一次遍历，并且计算结果不会随着函数的运行而改变，可以尝试先求出strlen保存，然后后期就直接使用计算结果，而不是每次循环都进行计算，如下：

static void find_blank_init_length(benchmark::State& state) {

    for (auto _: state) {
        char s[] = "This string has many space (0x20) chars. ";

        for (size_t i = 0, len = strlen(s); i < len; ++i)
            if (s[i] == ' ')
                s[i] = '*';
    }
}

BENCHMARK(find_blank_init_length);

测试结果如下：

-----------------------------------------------------------------
Benchmark                       Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------
find_blank                    191 ns          191 ns      3431752
find_blank_init_length       72.4 ns         72.4 ns      9635766

在禁用变异优化的选项下编译，从计算结果可以看出，更改之后整个函数性能提升了将近3倍左右。

使用更加高效的循环

通常for循环将会被编译成如下的代码：

	初始化表达式；
L1: if (!循环条件) goto L2;
	语句；
	继续表达式;
	goto L1;
L2:

而do-while编译之后一般为：

L1: 控制语句
	if (循环条件) goto L1;

当然不同的编译器可能实现不一样，按照上述分析使用do-while肯定要比for循环要好很多，但是，在ubuntu20.04上实际测试for循环的速度基本上和do-while保持一致，也可能是for循环用的多，所以编译器哪些大佬特意特意进行了优化。

do-while的实现：

static void find_blank_do_while(benchmark::State& state) {

    for (auto _: state) {
        char s[] = "This string has many space (0x20) chars. ";
        size_t i = 0, len = strlen(s);
        do {
            if (s[i] == ' ')
                s[i] = '*';
            ++ i;
        }while (i < len);
    }
}

BENCHMARK(find_blank_do_while);

实际测试结果：

-----------------------------------------------------------------
Benchmark                       Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------
find_blank                    191 ns          191 ns      3431752
find_blank_init_length       72.4 ns         72.4 ns      9635766
find_blank_do_while          71.6 ns         71.6 ns      9629498

使用编译器进行优化

在不更改代码的情况下，可以更改优化选项，告诉编译器可以对代码进行优化，当编译器选项由O0更改为O3之后的测试结果如下：

-----------------------------------------------------------------
Benchmark                       Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------
find_blank                   60.4 ns         60.4 ns     10536782
find_blank_init_length       34.6 ns         34.6 ns     20298248
find_blank_do_while          34.4 ns         34.4 ns     20249507
-----------------------------------------------------------------
Benchmark                       Time             CPU   Iterations
-----------------------------------------------------------------
find_blank                   60.2 ns         60.2 ns      9566706
find_blank_init_length       34.4 ns         34.4 ns     20362644
find_blank_do_while          34.6 ns         34.6 ns     20355712

多次运行之后，使用for循环和使用do-while结构基本上没有任何差别，而代价就是编译过程慢了一点。