C++属性 - likely 和 unlikely

在C++20中引入了 [[likely]] 和 [[unlikely]] 属性，用于向编译器提供分支预测的提示。通过标记某些代码分支为“可能执行”或“不太可能执行”，开发者可以帮助编译器在生成机器码时做出更有效的优化。合理使用这些属性可以在一定程度上提升程序的性能，尤其是在处理大量条件判断的代码时。

本文将详细介绍 [[likely]] 和 [[unlikely]] 属性的作用、应用场景及其使用注意事项，并结合实例代码展示如何在代码中有效地使用它们。

1. 背景

在程序执行过程中，分支预测是一项重要的优化技术。现代 CPU 在执行条件分支（如 if 语句或 switch 语句）时，会尝试预测哪一个分支最有可能被执行，并预加载该分支的指令。这样的优化在提升程序性能方面起着重要作用，尤其是在循环和条件判断中。

然而，CPU 的预测并不总是准确的。C++20 引入的 [[likely]] 和 [[unlikely]] 属性，允许开发者显式地告知编译器哪些分支更可能被执行,从而提升分支预测的准确性，提高整体执行效率。

2. [[likely]] 和 [[unlikely]] 属性

[[likely]] 和 [[unlikely]] 是两种属性，用于表示条件分支的执行概率：

• [[likely]]：标记某个条件分支是“很可能”被执行的路径。
• [[unlikely]]：标记某个条件分支是“不太可能”被执行的路径。

当编译器遇到带有 [[likely]] 或 [[unlikely]] 的代码分支时，会将这些信息用于优化分支预测。这种优化方式在高性能代码（如内核、数据处理、机器学习推理）中尤为常见。

2.1 使用场景

[[likely]] 和 [[unlikely]] 属性通常用于以下场景：

• if 语句：标记 if 或 else 分支更有可能被执行。
• 循环判断：在循环中标记 continue 或 break 语句，表示某个循环条件是可能或不可能被触发的【本质仍是if语句】。
• switch 语句：在 case 分支中使用，标记更有可能被执行的分支。

2.2 作用机制

这些属性仅仅是提示，编译器可以选择是否遵循。即使使用 [[likely]] 或 [[unlikely]]，编译器不一定总是会完全按照这些属性来优化，但在一些优化设置和现代编译器中，这些属性仍然可以对代码性能产生正面的影响。

3. 代码实例

3.1 标记 if 语句的条件分支

在条件判断中，[[likely]] 和 [[unlikely]] 可以帮助编译器更好地预测条件分支，优化代码的执行路径。

#include 
int process(int value) {
 if (value > 1000) [[unlikely]] {
 std::cout << "Rare case: Value is very large!" << std::endl;
 return -1;
 } else [[likely]] {
 std::cout << "Common case: Value is small." << std::endl;
 return value;
 }
}
int main() {
 process(10); // 更常见的场景
 process(2000); // 较少见的场景
 return 0;
}

在这个例子中，if 语句中使用了 [[likely]] 和 [[unlikely]]。假设大多数情况下 value 小于或等于1000，标记 else 分支为 [[likely]] 提示编译器该分支更有可能被执行，而 if 分支标记为 [[unlikely]] 提示编译器这是一个不常见的情况。

3.2 标记循环中的 break 条件

在循环中，可以通过 [[unlikely]] 标记一些罕见的 break 或 continue 情况，提示编译器进行优化。

#include 
#include 
void findValue(const std::vector& data, int target) 
{
   for (size_t i = 0; i < data.size(); ++i) 
   {
     if (data[i] == target) [[unlikely]] 
     { // 仅在特定条件下触发
     std::cout << "Value found at index: " << i << std::endl;
     break;
     }
   }
}

int main()
{
 std::vector values = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
 findValue(values, 100); // 100 不在列表中，因此不太可能被找到
 return 0;
}

在这个示例中，循环内部的 if 条件 data[i] == target 被标记为 [[unlikely]]。假设 target 通常不存在于数据列表中，标记这个条件为 [[unlikely]] 可以帮助编译器优化代码路径，提高循环的执行效率。

3.3 在 switch 语句的 case 中使用

在 switch 语句中，某些分支可能更常用，标记为 [[likely]] 或 [[unlikely]] 可以优化这些常见或罕见分支的执行。

#include 
void handleEvent(int eventCode) 
{
 switch (eventCode) 
 {
   case 1:
   std::cout << "Start event" << std::endl;
   break;
   case 2:
   std::cout << "Stop event" << std::endl;
   break;
   case 99: [[unlikely]] // 不太可能的分支
   std::cout << "Debug event" << std::endl;
   break;
   default:
   std::cout << "Unknown event" << std::endl;
 }
}
int main() {
 handleEvent(1); // 常见事件
 handleEvent(99); // 调试事件，不常发生
 return 0;
}

在这个例子中，switch 语句中的 case 99 分支被标记为 [[unlikely]]，提示编译器在优化时可以将该分支视为罕见情况。

4. 使用原则

• 谨慎使用：[[likely]] 和 [[unlikely]] 应仅用于非常确定的情况下。错误的使用可能会降低性能，甚至导致不必要的性能开销。
• 不可滥用：仅在对程序的执行路径非常了解、并且确定某个分支确实比其他分支更有可能执行时才使用这些属性。
• 依赖编译器支持：并非所有编译器都能完美支持 [[likely]] 和 [[unlikely]] 的优化，使用这些属性后应当在不同编译环境中进行性能测试。
• 与统计数据相结合：在实际应用中，可以通过收集统计数据来验证某些分支是否确实比其他分支更常执行，以便合理应用 [[likely]] 和 [[unlikely]]。

5. 总结

[[likely]] 和 [[unlikely]] 是C++20中引入的属性，用于提示编译器在分支预测时哪些路径更可能被执行。它们特别适用于 if、switch 和循环中的分支判断，通过帮助编译器进行更合理的分支预测，有助于提升程序性能。

不过，[[likely]] 和 [[unlikely]] 并不会强制编译器做出具体优化，因此开发者在使用这些属性时应当根据实际需求谨慎应用，并通过测试确认效果。合理使用这些属性可以帮助编译器进行优化，但滥用则可能适得其反。