csapp3e 第五章 优化程序性能

本文详细探讨了优化程序性能的各种策略,包括选择合适的算法和数据结构,理解编译器优化的局限性,如何消除循环的低效率,减少过程调用,避免不必要的内存引用,以及提高并行性等。通过实例分析,阐述了循环展开、多个累积变量和重新结合变换等技术在提升程序性能中的作用,并讨论了现代处理器的特性,如超标量和乱序处理。同时,文章还提到了内存性能和分支预测对程序性能的影响。

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前言

       高效程序:1. 适当的算法和数据结构。1. 将源代码编码成能够被编译器优化成高效可执行代码(消除连续的函数调用,消除不必要的内存引用)。3, 将运算量特别大的计算任务分成多个部分,这些部分可在多核和多处理器的某种组合上并行计算(第12章)(展开循环,多个累计变量,重新结合,条件转移)。

5.1优化编译器的能力和局限性

       指针与指针操作,函数调用一般很少优化。因为会副作用。

       函数调用,编译器会使用内联替换来优化。

       一些情况下,最好阻止内联替换,1. 用符号调试器(如gdb)评估代码时,2. 用代码剖析评估程序性能时,等等。

5.2表示程序性能

       每元素周期数CPE(斜率),循环展开,最小二乘拟合。

5.3程序示例

       32位和64位整数或单双精度浮点数操作性能都相同(除了除法)。

5

### 关键技术和方法概述 #### 优化编译器的能力和局限性 为了使程序达到最佳性能,理解编译器如何工作及其能力边界至关重要。编译器可以自动完成许多常见的优化措施,比如常量折叠、公共子表达式的消除以及无用代码删除等。然而,在面对复杂的控制结构或涉及指针运算的情况下,其效果可能有限[^1]。 #### 表示程序性能 衡量软件效率通常依赖于时间复杂度分析与实际运行测试相结合的方式。前者通过算法理论来预估执行速度;后者则借助工具记录具体耗时情况,从而找出潜在瓶颈所在之处。 #### 消除循环中的低效部分 针对频繁迭代的部分采取特别处理手段是提升整体表现的有效途径之一。这包括但不限于减少每次重复计算相同值所带来的开销、调整数组访问模式以利于缓存命中率提高等方面的工作。 ```c // 原始版本可能存在多次相同的计算 for (int i = 0; i < n; ++i) { result[i] = a * b + c; } // 改进后的版本提前进行了乘法运算 double ab = a * b; for (int i = 0; i < n; ++i) { result[i] = ab + c; } ``` #### 减少过程调用次数 函数调用虽然有助于增强代码可读性和重用性,但在某些场景下也会引入额外负担。对于那些仅用于局部逻辑实现的小型辅助功能来说,考虑将其内联展开可能是更好的选择——当然这也取决于具体情况而定[^4]。 #### 避免不必要内存引用 当涉及到大量数据交换时,应当尽可能降低对外部资源(如磁盘文件)的请求频率,并合理规划内部缓冲区大小以便更好地适应硬件特性。此外,还应注意防止因不当索引而导致越界访问等问题的发生。 #### 理解现代处理器架构特点 深入研究CPU内部运作机制可以帮助开发者充分利用多核并行优势、指令流水线设计原理等相关概念来进行针对性改进。例如利用SIMD扩展加速向量化操作就是一种常见做法。 #### 循环展开技术应用实例 适当增加循环体内语句数量可以在一定程度上缓解分支预测失败带来的负面影响,进而加快整个序列遍历的速度。不过需要注意的是过度使用该策略可能会造成寄存器溢出风险增大以及其他不利后果。 ```cpp // 单次循环 for(int i=0;i<n;++i){ sum+=arr[i]; } // 展开四倍后 for(int i=0;i<n-3;i+=4){ sum += arr[i]+arr[i+1]+arr[i+2]+arr[i+3]; } if(n%4!=0){ // 处理剩余项 for(;i<n;++i){ sum+=arr[i]; } } ``` #### 提升并行处理水平的方法探讨 除了简单地将任务分配给不同核心外,还可以探索更多高级别的协作方式,像OpenMP这样的库提供了便捷的操作接口让用户轻松定义共享变量范围内的同步关系。另外,也可以尝试采用Amdahl定律指导下的混合编程模型来平衡串行与并发之间的比例关系。
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