CSAPP优化程序性能的高质量代码整理

最新推荐文章于 2022-04-26 19:52:51 发布

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学习资源：深入理解计算机系统第五章

总述：
编写高效程序，除了众所周知的算法以及数据结构外，还应该考虑代码能被编译器有效优化。本文将罗列几种典型的优化方案。

一.编译器参数

GCC编译器可以调用-og,-o1,-o2,-o3等优化级别来对程序进行优化，而JVM也可以通过一系列指令来禁用或开启某些机制来达到优化的目的。

但是，事实上，有许多的代码是难以优化的：

1.指针运算

c语言的指针是非常难以优化的，如果编译器不能确定两个指针是否指向同一个位置，就必须假设这种情况，这就限制了可能的优化策略。

举例：

void twiddle2(long *xp,long *yp)
{
	*xp += *yp;
	*xp += *yp;
}

若xp与yp指向同一个位置，那么xp将增加至四倍；
若xp与yp指向不同位置，那么xp将增加至三倍。
因为编译器无法确认是否会产生第一种情况，
所以它无法将代码优化成以下形式。

void twiddle1(long *xp,long *yp)
{
	*xp += 2 * *yp;
}

所以为了更快地执行效率，我们应该尽可能按twiddle1的方法去写。

2.函数调用

若函数在调用过程中，修改了全局程序状态的一部分，那么编译器会假设最糟糕的情况，并保持所有函数的调用不变。

举例：

long counter = 0;
long f() {
	return counter++;
}
long func1(){
	return f() + f() + f() + f();
}
long func2(){
	return f() * 4;
}

fun1与fun2返回值不同，所以编译器是不会把fun1优化成fun2

优化方案：内联函数替换
将对函数的调用替换为函数体

long func1(){
	long t = counter ++;
	t += counter ++;
	t += counter ++;
	t += counter ++;
	return t;
}

按这样子修改，编译器就会进行优化

long func1(){
	long t = 4 * counter +6;
	counter += 4;
	return t;
}

GCC编译器会尝试自行进行内联函数替换，但是只能在单文件中，而且必须开启更高的优化等级，并且无法进行断点调试。所以还请各位自行进行内联函数替换。

二.循环展开

在循环的时候，每次迭代多个元素，能减少循环的迭代次数。
减少了不直接有助于程序结果的操作数量，例如循环索引计算和条件分支；提供了一些方法可以进一步优化代码。

void psum1 (float a[], float p[], long n)
{
    long i;
    p[0] = a[0];
    for(i = 1, i < n, i++)
        p[i] = p[i-1] + a[i];
}
 
//2*1循环展开
void psum2(float a[], float p[], long n)
{
    long i;
    p[0] = a[0];
    for( i=1; i < n-1; i +=2){
        float mid_value = p[i-1] + a[i];
        p[i] = mid_value;
        p[i+1] = mid_vlaue + a[i+1];
    }
    if (i < n)
        p[i] = p[i-1] + a[i];
}

前者运行时间 368 + 9.0n，后者运行时间 368 + 6.0n
在这里插入图片描述

三.泛型优化

将一个向量中所有元素合并成一个值
通过不同的宏定义来执行不同的运算

#define IDENT 0
#define OP +
 
#define IDENT 0
#define OP *

void combine1(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    long i;
    *dest = IDENT;
    for(i = 0; i < vec_length(v); i++)
        data_t val;
        get_vec_element(v, i, &val);
        *dest = *dest OP val;
    }
}

在这里插入图片描述

四.代码移动

将某些不会改变的并且要被调用多次的值赋值给局部变量，可以提升程序效率。

举例：

循环里的 i < xx.length 修改为 int len = xx.length；for(…;i<len;i++) 能提升程序效率。

五.消除不必要的内存引用

举例：

void combine4(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    long i;
    long length = vec_length(v);
    data_t *data = get_vec_start(v);
    data_t acc = IDENT;
    
    for(i = 0; i < length; i++)
        acc = acc + data[i];
    *dest = acc;
}

如果直接对dest进行运算，每次迭代需要两次读一次写，转化为临时变量后，只需要一次读。
在这里插入图片描述

六.并行

对于一个可结合和可交换的合并运算来说，比如整数加法和乘法，我们可以通过将一组合并运算分割成两个或更多的部分，并在最后合并结果来提高性能。

//2*2循环展开
void combine6(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    long i;
    long length = vec_length(v);
    long limit = length-1;
    data_t *data = get_vec_start(v);
    data_t acc0 = IDENT;
    data_t acc1 = IDENT;
 
    for(i=0; i<limit; i++){
        acc0 = acc0 OP data[i];
        acc1 = acc1 OP data[i+1];
    }
 
    for(; i<length; i++){
        acc0 = acc0 OP data[i];
    }
    *dest = acc0 OP acc1;
}

在这里插入图片描述

七.重新结合运算

void combine7(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    long i;
    long length;
    long limit = length - 1;
    data_t *data = get_vec_start(v);
    data_t acc = IDENT;
 
    for( i=0; i<limit; i+=2){
        acc = acc OP (data[i] OP data[i+1]);
        //acc = (acc OP data[i]) OP data[i+1];
    }
 
    for(; i<length; i++){
        acc = acc OP data[i];
    }
    *dest = acc;
}