C++: 16个基础的C++代码性能优化实例

前言

近期推动项目屎山代码进行了一波性能优化，实现了较大的性能提升。这里记录了部分近期代码优化的小技巧，这些例子仅从C++语言层面进行优化，主要在于优化类设计、减少隐含函数调用、减少拷贝等，较为基础实用，但涉及的知识点并不少。本文提供了一个视角，可以帮助了解一些C++代码的不同写法性能开销差异。对于很少关注代码性能的人，或许可以看看，提升一下代码性能方面的意识，从而写出性能更高的程序。

1. 使用const引用传递而非值传递

通过值传递给函数时会创建临时变量。

void process(vector<int> s);

改为引用传递：

void process(const vector<int>& s);

• 如果参数对象较大，使用值传递时拷贝的代价大，应该使用引用传递。
• 如果是内置类型int, float, double, char 和 bool，使用值传递，可以支持某一些编译器优化手段。

同理，对类成员访问接口：

Eigen::VectorXd GetStates() const {
   
    return current_states_;
}

应改为返回 const&，

const Eigen::VectorXd& GetStates() const {
   
    return current_states_;
}

保存函数返回的引用时，为避免拷贝，同样需要引用：

const auto& states = GetStates();

返回引用避免拷贝还需要避免隐式转换的发生，否则还是会拷贝，详见第3条。

2. for循环中使用引用遍历

以下for循环，每次从 object_list 容器拷贝临时对象 obj,

for(auto obj: object_list) {
   
	obj->func();
}

改为 const auto& 避免拷贝。

for(const auto& obj: object_list) {
   
	obj->func();
}

3. 注意隐式转换带来的拷贝

• 注意const语义不一致带来的隐式转换。

比如在以下代码中， GetObject() 虽然返回引用类型，但由于返回类型的const语义不一致，实际调用该函数后还是会导致返回临时变量。

class Widget {
   
public:
	const std::shared_ptr<const object>& GetObject() {
   
		return object_;
	}
private:
	std::shared_ptr<Object> object_;
};

• 当函数返回类型和临时值类型具有继承关系时，也会发生隐式转换。 见第10条提到的 RVO。

• 对容器如 std::unordered_map等进行遍历时，如果未使用auto，应写出遍历元素的正确类型。

比如for 遍历std::unordered_map 时，每个元素的类型为 std::pair<const key, value> 。以下代码会对pair进行拷贝，原因在于发生了到std::pair<key, value> 的隐式转换，创建了临时对象。

std::unordered_map<int, Widget> umap;
for(const std::pair<int, Widget>& data: umap) {
   
    //...
}

以下代码更加高效，对key添加了 const 修饰符，避免了隐式转换。

std::unordered_map<int, Widget> umap;
for(const std::pair<const int, Widget>& data: umap) {
   
    //...
}

或者尽量使用 const auto& 自动推断类型。

4. 定义即初始化

以下代码会调用一次默认构造函数，一次赋值运算符函数；

Matrix m1;  // call default constructor 
m1 = m2 + m3; // call Assignment operator

以下代码只会调用一次拷贝构造函数。

Matrix m1 = m2 + m3; // call copy constructor

另一个是 std::shared_ptr 深拷贝的例子，以下代码先对 Object默认构造后对其赋值；

std::shared_ptr<Object> object = std::make_shared<Object>(); 
// call default constructor
*object = *(objects_[index]->GetBaseObject());
// call Assignment operator

由于 std::make_shared<T>() 可以支持T的拷贝构造，可直接通过拷贝构造完成。

ObjectPtr object = std::make_shared<Object>(*(objects_[index]->GetBaseObject()));
// call copy constructor

5. 循环中复用临时变量

以下代码在循环中创建、销毁临时变量，多次调用拷贝构造函数和析构函数，

for (const auto& point : object->points) {
   
    Eigen::Vector3d ref_point(0.0, 0.0, 0.0);
    ref_point.head(2) = Transform(loc_info, odom_ref_point.head(2));
    object->predicted_state.reference_points.emplace_back(ref_point);
}

改为复用临时变量，创建一次，多次复用。

Eigen::Vector3d ref_point(0.0, 0.0, 0.0);
for (const auto& point: object->points) {
   
	ref_point.head(2) = Transform(loc_info, odom_ref_poi