C 程序性能优化
一、如何衡量程序的运行性能
主要从两个角度来考虑，空间和时间。实现同样功能的情况下，代码运行时占用内存更少，运行速度更快的代码性能更高。运行时间和内存消耗是衡量程序性能的基本指标。
二、性能优化技巧
1.利用高速缓存
高速缓存对数据的访问速度是普通内存的上百倍，它对性能的提升，在于两点：时间局部性和空间局部性。
时间局部性：被引用过一次的内存位置可能在不远的将来被多次访问。
空间局部性：如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不久的将来引用其附近的另一个位置。
CPU 在缓存数据时，会按照局部性原则，缓存第一次访问的内存及其附近的数据，如果每次访问的数据不够连续或者同一数据长时间引用一次，使得缓存总是不被命中，导致直接对内存进行频繁的访问，最终使程序整体性能降低。为了更好的利用高速缓存，可以按照以下几个原则来编写代码：
——尽量确保定义的局部变量能被多次引用；
——在循环结构中，以较短的步长访问数据；
——对于数组结构，使用行优先遍历；
——循环体越小，循环迭代次数越多，则局部性越好；
alignas 关键字
在计算机内部，高速缓存是以缓存行的形式被组织的，也就是说，一大块连续的高速缓存会被分为多个组，每个组有多个行，每个行有固定的大小，一般为 64 个字节，通过 getconf -a |grep CACHE_LINESIZE 命令可以查询当前架构的缓存行大小。当缓存不命中时，CPU 会将数据从低层次缓存中以固定的块大小（通常为缓存行大小）拷贝到更高层次的缓存行中。为了减少 CPU 需要进行的内存拷贝次数，我们希望连续的数据被组织在尽可能少的缓存行中。利用 alignas 关键字，将较长的数据设为 64 字节对齐，当这段数据被拷贝到高速缓存中时，会从缓存行的开头处开始放置数据，这在最大程度上的减少了连续数据需要的缓存行数，如下段代码所示：
struct data {
char x;
alignas(64) char y[118];
};
如果没有 64 字节对齐，这个数组可能会占三个缓存行，而现在只占了两个缓存行。
2.利用代码内联
通过 inline 关键字，可以建议编译器，将某个函数的实现内联到它的实际调用处。通过这种方式，程序不需要通过 call 指令来调用函数，省去了函数帧栈的创建和销毁过程，以节省 CPU 时钟周期。这是一种典型的时间换空间的思想。在函数需要被频繁调用时，这种方式对性能的提升尤为明显。但是，inline 关键字只是对编译器的建议，至于是否会采纳，还要看编译器的具体实现；同时，在高优化等级下，编译器也会自动采用内联对程序进行优化。
3.利用 restrict 关键字
restrict 关键字只能用于指针类型，用以表明该指针是数据的唯一访问方式。在计算机领域中，有一个名为 aliasing 的概念，就是说内存中的某一个位置，可以通过程序多于一个的变量来访问或修改其包含的数据。这会导致一个潜在的问题，当通过某个变量修改数据时，会导致所有与其他变量相关的数据访问发生改变。所以 aliasing 使得编译器难以对程序进行过多的优化。以下是一段普通的代码：
这段代码对应的汇编是先从内存中取值，然后再相加。如果给变量 z 加上 restrict 关键字，如下图所示：
发现加上 restrict 关键字后，只会从内存中读取一次值。可以看出， restrict 关键字通过减少内存的引用，从而提高效率。
4.消除不必要的内存引用
在某些情况下，只需要对程序的结构稍作修改，便能在很大程度上提升程序的运行性能。如下图所示：
这种情况下，每次赋值都要写进内存，如果添加一个变量，经过优化后，编译器会将值放进寄存器中，在计算完后，将数据放进内存，如下图所示：
5.循环展开
这个优化的原理在于 CPU 执行指令的方式。早期的 CPU 是串行执行的，必须在执行完本条指令后才能执行下一条指令。而指令的执行涉及到多个功能模块，在执行某条指令的某个阶段时，其他的功能模块是空闲的，这造成了 CPU 资源的浪费。所以到了后来，出现了流水线技术，将指令拆分为多个步骤执行，使各个功能模块得到充分的利用。比如，对于一个五级 RISC 流水线来说，CPU 会将指令的执行细分为指令提取、指令编译、指令执行、内存访问以及寄存器写回这五个步骤。这种情况下，当第本条指令被提取完后进行编译的同时，CPU 可以提取下一条指令，这种方式使得 CPU 执行指令由原来的串行变成了并行，提高了执行效率。
所以这种优化就是通过某种方式，让 CPU 在执行程序指令时，能够以满足流水线的方式进行。下图有一份代码，data 数组中放了一些数字，fun 函数的作用是计算所有数字的乘积和。这段代码存在一个问题，就是变量 i 和变量 acc 总是依赖上一轮的结果，无法提前计算下一轮循环变量的值，只有等这次循环执行完写入后才会开始下一轮。如下图所示：
展开后的代码如下图所示，稍微完善了一下，变成了一个可以编译运行的代码，其实效果和上图一样的，就是循环次数变少了：
这样一来，减少了循环的次数，两个累积值不存在相关性，增加了 CPU 并行执行这些指令的机会，提高了程序的效率。
但是，一般编译器在高优化等级下会自行展开，如果确认编译器没有自行展开，并且确实这种方式可以带来性能提升的话，再考虑使用。
6.优先使用条件传送指令
条件传送指令: CPU 中存在某类指令，在条件满足时，会将数据传送到指令位置。与其类似的有条件分支指令，这类指令会根据 CPU 标志位的不同状态，选择执行程序不同部分的代码。对于代码中的某些逻辑，使用这两类指令都可以完成，但是使用条件分支指令需要承受分支预测失败的代价。当 CPU 预测错误时，CPU 会将状态重置为跳转前所处的状态，并取出正确方向的指令，重新处理，这会导致更多的 CPU 周期被浪费。
下面的代码比较 x 和 y 这两个数组相同索引下的值，将较大的值存入 y 数组中：
在 C 语言中，条件传送指令通常用来实现问号表达式，所以将 if 语句转为问号表达式：
问号表达式虽然避免了分支预测失败带来的损耗，但是每次循环也多了几次赋值和比较的操作，但是相比较而言，判断次数多的情况下，使用问号表达式性能更优。需要注意的是，使用问号表达式时后面的值需要类型一致，否则会产生一些奇怪的问题。
7.使用更高的编译优化等级
无需多言
8.尾递归优化
参考函数。
