【干货】C++性能优化 | 吴咏炜在2020全球C++及系统软件技术大会中的分享

原创

Boolan博览

修改于 2021-09-29 17:18:59

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修改于 2021-09-29 17:18:59

We should forget about small efficiencies, say about 97percent of the time:premature optimization is the root of all evil. 我们应该在97%的时间忘记优化：过早优化是万恶之源。

做C++，当然不能不关心性能。但是，什么时候开始关心性能优化？2020全球C++及系统软件技术大会中《C++性能调优纵横谈》的演讲，现场座无虚席，好评连连。下面让演讲者，Boolan首席软件咨询师吴咏炜老师为大家揭秘。

国内知名 C++专家。曾任英特尔亚太研发中心资深系统架构师，近 30 年 C/C++系统级软件开发和架构经验。专注于 C/C++ 语言(包括 C++98/C++11/14/17/20)、软件架构、性能优化、设计模式和代码重用。长期担任资深技术教练，具有丰富技术咨询经验。

引言

先说为什么要用C++？摩尔定律推动计算机的性能不停提高，脚本语言大行其道。但是计算机的性能毕竟有限，到21世纪初，就不得不通过语言层面以及个人写代码的技巧等各方面来提升性能。

但是我们也无法做到100%优化，因为C++开发效率较低，如果想在整个代码做优化，得不偿失。原因我们看下面这个公式。里面P代表优化的部分所占比例，Sp是对这部分P的性能提升大小。

举两个最简单的数据说明：

①如果优化的部分有一个非常重要的函数，这个函数占到系统开销的50%，这时，我们把这个部分的性能提升了50%，这种情况下，结果是提升了20%，这已经是一个非常好的成果。

②反之，如果有一个函数性能提升100%，如果在执行过程中只占了系统开销的1%（不管它占代码总量多少），那即使这部分性能提升了100%，最后结果也只提升了0.5%。

所以，很重要的一件基本的事情，就是要做性能测试。测不准的问题

性能测试是一件很难的事情，也是一件非常有技巧的事情。以下面的简单代码为例，我们看一下memset和手工清零，性能有没有差异，差异是多少？

下方展示了一个令人惊讶的测试结果

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根据示例代码的测试结果我们可以看出，当优化开到 -O2时，memset居然比手工循环慢了10万倍。memset在GCC8之下，开到 -O2不会被优化，仍会做memset，但编译器会完全干掉对buffer的写入。这就是常见的陷阱。

那怎么绕过测试测不准的问题？volatile可以使测试结果相对合理。

然而volatile本身会妨碍优化。我们看下方汇编代码，80个单字节的0，去掉volatile，在GCC10下直接做了5次的16字节0写入，而且没有循环。这就是C++编译器的优化魔法。

在前面的示例代码里，两种方式在优化编译下的性能，实际上是完全一致的。

下面列举了一些编译器的优化魔法，在没有同步原语的情况下，编译器可以（通常为了性能）在（当前线程）结果不变的情况下自由地调整执行顺序。比如局部变量可能被全部消除；而全局变量不会被优化没，但是写入的顺序可能会调整，编译器觉得怎么方便怎么写入，只要对外表现行为与程序的设计行为完全一致。

例如：x = a; y = 2; 可以变为 y = 2; x = a

x=a，是从a里面读东西，写到x，做了内存读操作，再做内存写操作。我们看汇编代码，会发现会先做从a读到eax，同时对y写入读，然后对x写入，从而达到最高的并发性。

另外，volatile声明会禁止编译器进行相关优化。

对volatile变量的读，编译器肯定会生成读语句；对volatile变量的写，编译器肯定会生成写语句。这是一种很特殊的场景，所以一般用于驱动程序，内存映射文件等，正常情况下volatile需要谨慎使用。特别需要指出的一点，volatile在C++和Java里面的语义完全不一样，在C++里面没有多线程同步的语义。

以上就是测试可能存在的坑，从防优化的角度我们总结出以下技巧：

性能测试方式

不管是锁，还是额外函数调用，都会有额外开销，尤其锁的性能开销是有点大的，所以我们需要比clock更好的进行性能测试的方式。通过分析测时长相关的函数，我们可以发现rdtsc是x86 和x64系统上的的首选计时方式。

需要注意，tsc的主屏频率和CPU参考主频不一定一致，需要自己测试，或者从Linux里面使用dmesg查找tsc的频率信息。

以rdtsc为计时方式，我们可实现一个性能分析器profiler，测量出函数调用和虚函数调用的额外开销（不同的软硬件会影响测试数据），可以发现开销是很低的。

我们前面说的测试方式属于插桩测试。插桩测试的开销随测试范围而变，虽然函数调用开销较低，但依然存在开销，而且测量出的时钟周期都可能带来问题，所以插桩本身可能影响测试结果，但是结果相对较为精确、稳定，适合对单个函数进行性能调优。

另外一种测试方式是采样测试。采样测试需要依赖于一个外部的东西，在程序的执行过程中，它会定期中断程序，然后检查调用栈，知道程序当前执行到哪里，最后看百分比的分布，从而知道函数的大概比例。采样测试比较优势的地方，是总体开销可控，而且适合用来寻找程序的热点。

总结：整体找程序的热点与问题在哪里，用采样测试；已经找到热点，需要进行精细优化，用插桩测试。

关于采样测试常用的一些工具。一个是GCC自带的工具gprof，它是采样结合了部分插桩，可以很快上手尝试，但是因为总体效果不太好，所以并不推荐。比较推荐的Google的gperftools.

编译的时候不需要做特殊处理，用普通的 -g和 -o参数就可以。执行的时候，可以在命令行上指定预加载profiler库，再指定CPUPROFILE输出到哪个文件，然后执行代码，这样就可以生成test.prof文件，最后再用google-pprof工具把test.prof生成输出文件，可以是svg、jpg、png之类的格式。

其中，SVG的效果会比较好一些，有层次关系、树形结构，字体的大小代表了耗时百分比的高低，可以很清晰的看到整体执行的性能，进行分析。

性能优化

1、循环优化

循环会放大代码中的低效率，所以不必要的反复执行的代码要提到循环外面，否则会有额外的开销。以下面这个糟糕代码为例：

首先，strlen这个函数会被反复调用，其次，strlen是个很糟糕的函数，它的执行时间与你的字符串长度成正比。所以如果给了一个长的字符串，即使不考虑strlen本身的函数调用开销的问题，也需要考虑是不是应该把这个长度随时随地带在API里，而不是调strlen来获得它的长度。那这种问题如何优化？

长度不变的情况，在for循环的开头初始化一下，然后后面就是循环写入。这个优化也是GCC可能自动做的，当GCC能够判定你肯定没有在修改这个字符串的时候，它甚至可以帮你直接做到这一点。但是当你把s，一个char*，传到另外一个函数去，GCC判定不了那个函数背后做了什么，就无法优化。所以还是需要手工将优化写出来，这是一种非常基本的优化方式。

如果长度可变的情况，原理是一样的。可以先把长度保存下来，然后在长度进行变化的时候，直接调整长度值。但是，如果字符串太长的话，我们仍需要做一些其他的优化操作，但是概念是一样的，就是尽量避免重复做不必要的操作，这是最基本的优化思路。

2、多线程优化

在某些内存管理器里，每次调用时会有个加解锁的问题，而加解锁是绝对的性能杀手。所以，

①能使用 atomic 就不用 mutex；

②如果读比写多很多，考虑使用读写锁（shared_mutex）而不是独占锁（mutex）；

③使用线程本地（thread_local）变量

3、算术表达式优化

下面这个等式，从代码角度看是否成立？

这个地方的关键是是否使用了浮点数类型。浮点数的精度有限，这就意味着一个操作先做还是后做，可能会影响结果，编译器就会保守处理，不敢轻易做优化。所以除非你开了 -Ofast，告诉编译器可以不管 IEEE 浮点数据运算规则，在碰到浮点数的时候，要做一下手工处理。

不需要做的优化

1、移位和乘法，不需要开优化， -O0就会做。

查看下方骚操作

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2、提取公共表达式

3、略去本地变量的初始化

无用的初始化，编译器会自动消掉。

以上就是吴咏炜老师在2020全球C++及系统软件技术大会中分享的内容，这里只讨论了部分性能优化点，性能调优的手段还有很多，欢迎大家有问题交流讨论。2021全球C++及系统软件技术大会将于11月25-26日上海举办，吴咏炜老师会再次出席为大家带来现代C++新特性技能分享，感兴趣的小伙伴不要错过哦！