C++程序常见的性能调优方式

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冗余的变量拷贝

相对C而言，写C++代码经常一不小心就会引入一些临时变量，比如函数实参、函数返回值。在临时变量之外，也会有其他一些情况会带来一些冗余的变量拷贝。

之前针对冗余的变量拷贝问题写过一些帖子，详情请点击这里。

 

多重过滤

很多服务都会过滤的部分结果的需求，比如游戏交谈中过滤需要过滤掉敏感词。假设现在有两个过滤词典，一个词典A内容较少，另一个词典B内容较多，现在有1000个词需要验证合法性。

词落在词典A中的概率是1%，落在词典B中的概率是10%，而判断词是否落在词典A或B中的操作耗时差不多，记作N。

那么要判断词是否合法，有两种方式：

1. 先判断词是否在A中，如果在返回非法；如果不在再判断是否在B中，如果在返回非法，否则返回合法。

2. 和方式一类似，不过是先判断是否在B中。

现在我们来计算两种方式的耗时：

1. 1000*N+1000*(1-1%)*N

2. 1000*N+1000*(1-10%)*N

很明显，方式二的过滤操作排序优化方式一。

说得有些啰嗦，其实简单点说就是一句话：多重过滤中把强过滤前移；过滤强度差不多时，过滤消耗较小的前移。

如果有些过滤条件较强，但是过滤消耗也较大怎么办？该前移还是后移？个人到没遇到过这种情况，如果确实需要考虑，也可以用之前计算方式一、二整体耗时的方法也计算一遍。

 

字符数组的初始化

一些情况是：写代码时，很多人为了省事或者说安全起见，每次申请一段内存之后都先全部初始化为0。

另一些情况是：用了一些API，不了解底层实现，把申请的内存全部初始化为0了，比如char buf[1024]=""的方式，有篇帖子写得比较细，请看这里。

上面提到两种内存初始化为0的情况，其实有些时候并不是必须的。比如把char型数组作为string使用的时候只需要初始化第一个元素为0即可，或者把char型数组作为一个buffer使用的大部分时候根本不需要初始化。

 

频繁的内存申请、释放操作

曾经遇到过一个性能问题是：一个服务在启动了4-5小时之后，性能突然下降。

查看系统状态发现，这时候CPU的sys态比较高，同时又发现系统的minflt值迅速增加，于是怀疑是内存的申请、释放造成的性能下降。

最后定位到是服务的处理线程中，在处理请求时有大量申请和释放内存的操作。定位到原因之后就好办了，直接把临时申请的内存改为线程变量，性能一下子回升了。

能够迅速的怀疑到是临时的内存申请造成的性能下降，还亏之前看过这篇帖子。

至于为什么是4-5小时之后，性能突然下降，则怀疑是内存碎片的问题。

 

提前计算

这里需要提到的有两类问题：

1. 局部的冗余计算：循环体内的计算提到循环体之前

2. 全局的冗余计算

问题1很简单，大部分人应该都接触到过。有人会问编译器不是对此有对应的优化措施么？对，公共子表达式优化是可以解决一些这个问题。不过实测发现如果循环体内是调用的某个函数，即使这个函数是没有side effect的，编译器也无法针对这种情况进行优化。（我是用gcc 3.4.5测试的，不排除更高版本的gcc或者其他编译器可以针对这种情况进行优化）

对于问题2，我遇到的情况是：服务代码中定义了一个const变量，假设叫做MAX_X，处理请求是，会计算一个pow(MAX_X)用作过滤阈值，而性能分析发现，这个pow操作占了整体系统CPU占用的10%左右。对于这个问题，我的优化方式很简单，直接计算定义一个MAX_X_POW变量用作过滤即可。代码修改2行，性能提升10%。

 

空间换时间

这其实是老生常谈、在大学里就经常提到的问题了。

不过第一次深有体会的应用却是在前段时间刚遇到。简单来说是这样一个应用场景：系统内有一份词表和一份非法词表，原来的处理逻辑是根据请求中的数据查找到对应的词（很多），然后用非法词表过滤掉其中非法的部分。对系统做性能分析发现，依次判断查找出来的词是否在非法词表中的操作比较耗性能，能占整体系统消耗CPU的15-20%。后来的优化手段其实也不复杂，就是服务启动加载词表和非法词表的时候，再生成一张合法词表，请求再来的时候，直接在合法词表中查到结果即可。不直接用合法词表代替原来那份总的词表的原因是，总的词表还是其他用途。

 

内联频繁调用的短小函数

很多人知道这个问题，但是有时候会不太关注，个人揣测可能的原因有：

1. 编译器会内联小函数

2. 觉得函数调用的消耗也不是特别大

针对1，我的看法是，即使编译器会内联小函数，如果把函数定义写在cpp文件中并在另外一个cpp中调用该函数，这时编译器无法内联该调用。

针对2，我的实际经验是，内联了一个每个请求调用几百次的get操作之后，响应时间减少5%左右。

 

位运算代替乘除法

据说如果是常量的运算的话，编译器会自动优化选择最优的计算方式。这里的常量计算不仅仅是指"4*8"这样的操作，也可能是"a*b"但编译的时候编译器已经可以知道a和b的值。

不过在编译阶段无法知道变量值的时候，将*、/、% 2的幂的运算改为位运算，对性能有时还是蛮有帮助的。

我遇到的一次优化经历是，将每个请求都会调用几十到数百次不等的函数中一个*8改为<<3和一个%8改为&7之后，服务器的响应时间减少了5%左右。

下面是我实测的一些数据：

%2的次方可以用位运算代替，a%8=a&7（两倍多效率提升）

/2的次方可以用移位运算代替，a/8=a>>3（两倍多效率提升）

*2的次方可以用移位运算代替，a*8=a<<3（小数值测试效率不明显，大数值1.5倍效率）

整数次方不要用pow，i*i比pow(i,2)快8倍，i*i*i比pow快40倍

strncpy, snprintf效率对比：目标串>>源串 strncpy效率低，源串>>目标串 snprintf效率低

 

编译优化

gcc编译的时候，很多服务都是采用O2的优化选项了。不过在使用公共库的时候，可能没注意到就使用了一个没开任何优化的产出了。我就遇到过至少3个服务因为打开了tcmalloc库的O2选项之后性能提升有10%以上的。

不过开O2优化，有些时候可能会遇到一些非预期的结果，比如这篇帖子提到的memory aliasing的问题。