提升C++代码效率的几种方法二

提升C++代码效率的几种方法二

（1）循环展开提升代码效率

循环展开是一种程序变换，通过增加每次迭代计算的元素的数量，减少循环的迭代次数。它从两个方面改进程序的性能：
1、它减少了不直接有助于程序结果的操作的数量，例如循环索引计算和条件分支；
2、它提供了一些方法，可以进一步变化代码，减少整个计算中关键路径上的操作数量。

//求数组元素的累积，放在 dest 所指的内存单元中
void combine(vector<double> v, double *dest)
{
    int i;
    int length = v.size();
    double acc;
    for(int i = 0; i < length - 1; i += 2)
        acc = (acc * v[i]) * v[i+1];
        
    for(; i < length; i++)     //处理剩下的元素
        acc = acc * v[i];
        
    *dest = acc;
}

上述代码一次求取两个元素的乘积，然后存放在局部变量 acc 中，最后再存到内存单元中。该代码减少了 for 循环中的判断的次数，从而减少了触发处理器预测机制的次数，大大提升了代码的效率。

（2）通过提高代码的并行性提升代码的效率

对于一个可结合和和交换的合并运算来说，比如整数的加法或乘法，我们可以通过将一组合并运算分割成两个或更过的部分，并在最后合并结果来提升性能。

接下来改进上述代码：

//求数组元素的累积，放在 dest 所指的内存单元中
void combine(vector<double> v, double *dest)
{
    int i;
    int length = v.size();
    double acc1, acc2;           //分别存放数组中下标为奇数和偶数的元素累积
    for(int i = 0; i < length - 1; i += 2)
    {
        acc1 = acc1 * v[i];
        acc2 = acc2 * v[i+1];
    }
        
    for(; i < length; i++)     //处理剩下的元素
        acc = acc * v[i];
        
    *dest = acc1 * acc2;
}

上述代码先分别求取数组中下标为奇数和偶数的元素累积，然后分别存放在两个局部变量 acc1 和 acc2（分别存在寄存器 %xmm0 和 %xmm1）中，这两个寄存器可以并行的执行，互不干扰。不像只循环展开的代码，要等到第一个乘法运算完才能进行第二个乘法。并行代码结合了循环展开和并行两种特征，大大地提高了代码地效率。

（3）重新结合变换

对于（1）中的代码，我们可以进行以下改造：

//求数组元素的累积，放在 dest 所指的内存单元中
void combine(vector<double> v, double *dest)
{
    int i;
    int length = v.size();
    double acc;
    for(int i = 0; i < length - 1; i += 2)
        acc = acc * (v[i] * v[i+1]);          //此处变成了后面两个元素先乘
        
    for(; i < length; i++)     //处理剩下的元素
        acc = acc * v[i];
        
    *dest = acc;
}

这段代码变成了先求取 v[i] 和 v[i+1] 的乘积，然后再和 acc 相乘，这样就减少了关键路径上的操作，也可以理解为不需要对 acc 进行多次乘运算，该代码只对 acc 做了一次乘运算，而（1）就对 acc 做了2次乘运算。此时效率也是提升了很多。总的来说，重新结合变换能够减少计算中关键路径上操作的数量，通过更好地利用功能单元的流水线能力得到更好的性能。通常，循环展开和并行地累积在多个值中，是提升程序性能的更可靠方法。

由于浮点数的乘法和加法是不可结合的，因此，由于四舍五入或溢出，（2）和（3）的代码产生的结果可能不同。因此，对于浮点数的情况，我们必须评估这些方法可能产生的严重后果。

内容均来自《深入理解计算机系统》这本书，希望对大家编写代码有帮助。