计算机系统基础复习：5优化程序性能

导言

• 编写高效程序：适当的算法和数据结构；源代码能被编译器优化为高效可执行的代码；运算量特别大的计算，将一个任务分成多个部分，这些部分可以在多核和多处理器的某种组合上并行地计算。
• 许多低级别优化：降低可读性、模块性=>易出错，难修改、维护=>要维护代码一定程度的简洁和可读性。
• 妨碍优化：严重依赖于执行环境的程序行为
• 程序优化：消除不必要工作（消除不必要的函数调用、条件测试、内存引用）；利用处理器提供的指令级并行能力，同时执行多条指令。（降低一个计算不同部分之间的数据相关，增加并行度）
• 代码剖析程序：测量程序各个部分性能（帮助找到代码中低效率的地方=>应该着重优化的部分）
• 试错法实验
• 研究汇编代码（理解编译器、代码运行）、内循环（降低性能的属性：过多的内存引用、寄存器使用不当汇编代码（预测将被执行的操作、处理器资源的使用）
• 关键路径：是在循环的反复执行过程中形成的数据相关链。通过确认关键路径来决定执行一个循环需要的时间/至少是一个时间下界。
• 只重写程序到编译器由此就能产生有效代码所需要的程度=>尽量避免损害代码的可读性、模块性和可移植性。
• 不断修改源代码，试图欺骗编译器产生有效的代码。

5.1 优化编译器的能力和局限性

• 最简单的对编译器所使用的优化的控制是指定优化级别。

-Og：基本优化；-O1或更高（-O2或-O3）：大量优化。=>程序性能提高，程序规模提高，使标准的调试工具更难对程序进行调试。

主要考虑以优化级别-O1编译出的代码。

可以写出的c代码，即使用-O1选项编译得到的性能，也比用可能的最高的优化等级编译一个更原始的版本得到的性能好。直接优化代码本身（对c代码进行调整）可能会比 用高级优化等级编译  的运行性能要更好。

• 编译器会确保优化后得到的程序和未优化的版本有一样的行为。
• 优化障碍：

内存别名使用：两指针指向同一内存单元。

边界检查：在使用一个变量前，用来检查该变量是否处在一个特定范围之内的过程（如数组下标检查：防止下标超出数组范围而覆盖其他的数据）：存在不可能越界的代码

函数调用：编译器会假设最糟的情况，并保持所有的函数调用不变。（如：函数调用过程中修改了全局程序状态）=>用内联函数替换来优化函数调用（包含函数调用的代码可以用一个称为内联函数替换的过程进行优化，将函数调用替换为函数体（GCC只尝试在单个文件中定义的函数的内联））

• GCC完成基本的优化。

5.2 表示程序性能

• CPE（每元素的周期数）：度量标准，表示程序性能并指导改进代码的方法。
• 用时钟周期来表示，度量值表示的是执行了多少条指令，而不是时钟运行的有多快。
• 一个过程所需要的时间可以用：常数+与被处理元素个数成正比的因子*被处理元素个数   来描述。

5.3 程序示例

边界检查降低了程序出错的机会，但是它也会减缓程序的执行。

5.4 消除循环低效率

代码移动

隐藏的渐近低效率

5.5 减少过程调用

5.6 消除不必要的内存引用

 每次迭代时，累积变量的数值都要从内存读出再写入到内存。为消除这种不必要的内存独写，引入一个临时变量，在循环中用来累积计算出来的值。

 

笔记：

一般有用的优化：

• 移动代码到循环外/提前计算
• 减少乘=>加/移位
• 公共因子统一处理
• 计算临时量，保存中间结果

优化障碍：

• 过程调用
• 内存别名使用