C++性能分析

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#c语言 #开发语言

于 2021-03-09 21:53:34 首次发布

本文详细介绍代码性能优化的方法，包括性能对比原则、分析工具使用、计算机性能要素、编译器优化技巧及常见代码优化实践，旨在帮助开发者提升软件性能。

一，性能对比

我们经常对比2份代码的性能，首先要注意控制这几点：

（1）2份代码的功能完全相同

（2）使用相同的测试环境（windows还是linux，编译器等）

（3）使用相同的性能测试代码

（4）使用相同的编译优化级别（VS开release模式）

对于简单的情况，编译器很可能已经做了大量的优化，使得对比结果并不明显。

但是，这却并不代表我们写代码可以完全依赖编译器。

代码的两种写法，在不同程度的编译优化下，哪种写法更快可能没有定论。

例如下面的“循环嵌套条件语句”，clion上运行的是1770 1501，visual studio上运行的是849 1228，感觉应该是vs做的编译优化比较多，简单的if语句可能被优化掉了。

~~我在windows机器上写C++代码，用cmake编译运行，用clock函数计时，用来判断程序运行时间。~~

性能测试代码

        auto s1 = clock();
		
        test();

		auto e1 = clock();
		cout << endl << e1 - s1;

二，性能分析工具

1，VS性能分析工具

点击分析、性能探测器、更改目标

点击可执行文件、开始、CPU采用、下一步、可执行文件、下一步

填写路径，完成。

2，汇编分析工具

在线汇编

左边可以用不同语言写代码

右边可以选择不同的环境和编译器版本，还支持输入编译选项。

三，计算机性能

1，存储访问

连续的不跳跃的存储访问是最快的，这对程序性能影响很大。

2，处理器性能加速

处理器性能加速：指令乱序执行、流水线、并发

条件分支代码可能打乱流水线，造成性能下降。

3，系统调用开销

read write open close mmap 耗时比较长

4，时钟函数

Linux中的时钟函数

Windows中的时钟函数

四，编译器优化

1，总体特点

2，指令重排

好处是可以提高指令并行度。

int x,y,a;
int main()
{
	x=a;
    y=2;
	return 0;
}

然而从gcc8开始，这个代码在O2下是不进行指令重排的，不知道为啥。

3，防优化技巧

五，常见代码的性能

1，二维数组的访问

二维数组的访问最好不要跳内存。

#include <stdio.h>
#include "time.h"

#define N 1000000
#define M 1000

typedef struct
{
    int a[N];
}Node;

#define OUTCLOCK \
    printf("%d ",clock()-theClock); \
    theClock=clock();

int main()
{
    clock_t theClock=clock();
    Node *p=(Node *)malloc(sizeof(Node)*M);
    OUTCLOCK
    for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)p[i].a[j]=i*j+1;
    OUTCLOCK
    for(int j=0;j<N;j++)for(int i=0;i<M;i++)p[i].a[j]=i*j+1;
    OUTCLOCK
    return 0;
}

运行结果：

0 2339 2234

单位是毫秒

2，大批量内存拷贝

大批量内存拷贝，用memcpy代替赋值语句

int main()
{
    clock_t theClock=clock();
    Node *p=(Node *)malloc(sizeof(Node)*M);
    int *p2=(int *)malloc(sizeof(int)*N*M);
    OUTCLOCK
    for(int i=0;i<M;i++)for(int j=0;j<N;j++)p2[i*N+j]=p[i].a[j];
    OUTCLOCK
    memcpy(p2,p, sizeof(int)*N*M);
    OUTCLOCK
    return 0;
}

运行结果：

0 2811 276

3，多分支语句的顺序

形如如下的代码：

    if(con1)do1;
    else if(con2)do2;
    else if(con3)do3;
    else do4;

假设do语句里面没有continue、break、goto、return语句，那么这段代码的执行时间分为con判断时间、do语句时间两部分。

其中，无论这些分支如何调整顺序，都不影响do语句时间，所以只需要考虑con判断时间。

假设各个分支的命中概率分别为p1 p2 p3 p4，判断时间（单个con表达式的执行时间）分别为t1 t2 t3 t4

则con判断时间T=p1t1 + p2(t1+t2) + p3(t1+t2+t3) + p4(t1+t2+t3+t4)

显然当p1/t1 > p2/t2 > p3/t3 > p4/t4时，T取到最小值。

也就是说，命中率高的分支往前放，单个con表达式执行时间较长的往后放（这种比如con表达式包含了执行一个函数）

4，循环嵌套条件语句

如果循环里面有if语句，无论是对程序员还是对cpu来说，都是一个复杂的行为。

#include <stdio.h>
#include "time.h"

#define N 1000000
#define M 1000

int x[M],y[M];

#define OUTCLOCK \
    printf("%d ",clock()-theClock); \
    theClock=clock();

int main()
{
    for(int i=0;i<M;i++)x[i]=i*i,y[i]=i*i*i+i*3+1;
    int d,s=0;
    scanf("%d",&d);
    clock_t theClock=clock();
    for(int i=0;i<N;i++)for(int i=0;i<M;i++)if(x[i]==d)s+=y[i];
    OUTCLOCK
    for(int i=0;i<N;i++)for(int i=0;i<M;i++)s+=((x[i]==d)?y[i]:0);
    OUTCLOCK
    return 0;
}

运行结果：

250000
1770 1501

可此可见，让条件只控制数据不控制指令跳转，对于CPU来说是很友好的。

5，虚函数

虚函数比较慢的原因有两个，一是需要通过函数指针来调用，二是通常会防止内联。

所以，CRTP模式会比继承模式要快。

6，volatile

普通代码：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	char ch[80];
    for(int i=0;i<80;i++)ch[i]=0; //核心代码
    for(int i=0;i<80;i++)cout<<ch[i];
	return 0;
}

其中赋值的那一行是核心代码。

汇编：

汇编结果是5次操作，每次操作16个字节。

加了volatile的代码：

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
	volatile char ch[80];
    for(int i=0;i<80;i++)ch[i]=0; //核心代码
    for(int i=0;i<80;i++)cout<<ch[i];
	return 0;
}

汇编：