我們寫程序的目的，就是使它在任何情況下都可以穩(wěn)定工作。一個運行的很快但結(jié)果錯誤的程序，并沒有任何用處。在程序開發(fā)和優(yōu)化的過程中，我們需要考慮代碼使用的方式，以及影響它的關鍵因素。通常，我們要在程序的簡潔性與它的運行速度之間做出權衡。今天，我們就來聊一聊如何優(yōu)化程序的性能。

• 1. 減小程序計算量

  • 1.1 示例代碼

  • 1.2 分析代碼

  • 1.3 改進代碼

• 2. 提取代碼中的公共部分

  • 2.1 示例代碼

  • 2.2 分析代碼

  • 2.3 改進代碼

• 3. 消除循環(huán)中低效代碼

  • 3.1 示例代碼

  • 3.2 分析代碼

  • 3.3 改進代碼

• 4. 消除不必要的內(nèi)存引用

  • 4.1 示例代碼

  • 4.2 分析代碼

  • 4.3 改進代碼

• 5. ?減小不必要的調(diào)用

  • 5.1 示例代碼

  • 5.2 分析代碼

  • 5.3 改進代碼

• 6. 循環(huán)展開

  • 6.1 示例代碼

  • 6.2 分析代碼

  • 6.3 改進代碼

• 7. 累計變量，多路并行

  • 7.1 示例代碼

  • 7.2 分析代碼

  • 7.3 改進代碼

• 8. 重新結(jié)合變換

  • 8.1 示例代碼

  • 8.2 分析代碼

  • 8.3 改進代碼

• 9 條件傳送風格的代碼

  • 9.1 示例代碼

  • 9.2 分析代碼

  • 9.3 改進代碼

• 10. 總結(jié)

1. 減小程序計算量

1.1 示例代碼

for?(i?=?0;?i?<?n;?i++)?{int?ni?=?n*i;for?(j?=?0;?j?<?n;?j++)a[ni?+?j]?=?b[j]; }

1.2 分析代碼

??代碼如上所示，外循環(huán)每執(zhí)行一次，我們要進行一次乘法計算。i = 0，ni = 0；i = 1，ni = n；i = 2，ni = 2n。因此，我們可以把乘法換成加法，以n為步長，這樣就減小了外循環(huán)的代碼量。

1.3 改進代碼

int?ni?=?0; for?(i?=?0;?i?<?n;?i++)?{for?(j?=?0;?j?<?n;?j++)a[ni?+?j]?=?b[j];ni?+=?n;?????????//乘法改加法 }

計算機中加法指令要比乘法指令慢得多。

2. 提取代碼中的公共部分

2.1 示例代碼

??想象一下，我們有一個圖像，我們把圖像表示為二維數(shù)組，數(shù)組元素代表像素點。我們想要得到給定像素的東、南、西、北四個鄰居的總和。并求他們的平均值或他們的和。代碼如下所示。

up?=????val[(i-1)*n?+?j??]; down?=??val[(i+1)*n?+?j??]; left?=??val[i*n?????+?j-1]; right?=?val[i*n?????+?j+1]; sum?=?up?+?down?+?left?+?right;

2.2 分析代碼

??將以上代碼編譯后得到匯編代碼如下所示，注意下3,4,5行，有三個乘以n的乘法運算。我們把上面的up和down展開后會發(fā)現(xiàn)四格表達式中都有i*n + j。因此，可以提取出公共部分，再通過加減運算分別得出up、down等的值。

leaq???1(%rsi),?%rax??#?i+1 leaq???-1(%rsi),?%r8??#?i-1 imulq??%rcx,?%rsi?????#?i*n imulq??%rcx,?%rax?????#?(i+1)*n imulq??%rcx,?%r8??????#?(i-1)*n addq???%rdx,?%rsi?????#?i*n+j addq???%rdx,?%rax?????#?(i+1)*n+j addq???%rdx,?%r8??????#?(i-1)*n+j

2.3 改進代碼

long?inj?=?i*n?+?j; up?=????val[inj?-?n]; down?=??val[inj?+?n]; left?=??val[inj?-?1]; right?=?val[inj?+?1]; sum?=?up?+?down?+?left?+?right;

??改進后的代碼的匯編如下所示。編譯后只有一個乘法。減少了6個時鐘周期（一個乘法周期大約為3個時鐘周期）。

imulq?%rcx,?%rsi??#?i*n addq?%rdx,?%rsi??#?i*n+j movq?%rsi,?%rax??#?i*n+j subq?%rcx,?%rax??#?i*n+j-n leaq?(%rsi,%rcx),?%rcx?#?i*n+j+n ...

??對于GCC編譯器來說，編譯器可以根據(jù)不同的優(yōu)化等級，有不同的優(yōu)化方式，會自動完成以上的優(yōu)化操作。下面我們介紹下，那些必須是我們要手動優(yōu)化的。

3. 消除循環(huán)中低效代碼

3.1 示例代碼

??程序看起來沒什么問題，一個很平常的大小寫轉(zhuǎn)換的代碼，但是為什么隨著字符串輸入長度的變長，代碼的執(zhí)行時間會呈指數(shù)式增長呢？

void?lower1(char?*s) {size_t?i;for?(i?=?0;?i?<?strlen(s);?i++)if?(s[i]?>=?'A'?&&?s[i]?<=?'Z')s[i]?-=?('A'?-?'a'); }

3.2 分析代碼

??那么我們就測試下代碼，輸入一系列字符串。

lower1代碼性能測試

??當輸入字符串長度低于100000時，程序運行時間差別不大。但是，隨著字符串長度的增加，程序的運行時間呈指數(shù)時增長。

??我們把代碼轉(zhuǎn)換成goto形式看下。

void?lower1(char?*s) {size_t?i?=?0;if?(i?>=?strlen(s))goto?done;loop:if?(s[i]?>=?'A'?&&?s[i]?<=?'Z')s[i]?-=?('A'?-?'a');i++;if?(i?<?strlen(s))goto?loop;done: }

??以上代碼分為初始化（第3行），測試（第4行），更新（第9，10行）三部分。初始化只會執(zhí)行一次。但是測試和更新每次都會執(zhí)行。每進行一次循環(huán)，都會對strlen調(diào)用一次。

??下面我們看下strlen函數(shù)的源碼是如何計算字符串長度的。

size_t?strlen(const?char?*s) {size_t?length?=?0;while?(*s?!=?'\0')?{s++;?length++;}return?length; }

??strlen函數(shù)計算字符串長度的原理為：遍歷字符串，直到遇到‘\0’才會停止。因此，strlen函數(shù)的時間復雜度為O（N）。lower1中，對于長度為N的字符串來說，strlen 的調(diào)用次數(shù)為N,N-1,N-2 ... 1。對于一個線性時間的函數(shù)調(diào)用N次，其時間復雜度接近于O（N2）。

3.3 改進代碼

??對于循環(huán)中出現(xiàn)的這種冗余調(diào)用，我們可以將其移動到循環(huán)外。將計算結(jié)果用于循環(huán)中。改進后的代碼如下所示。

void?lower2(char?*s) {size_t?i;size_t?len?=?strlen(s);for?(i?=?0;?i?<?len;?i++)if?(s[i]?>=?'A'?&&?s[i]?<=?'Z')s[i]?-=?('A'?-?'a'); }

??將兩個函數(shù)對比下，如下圖所示。lower2函數(shù)的執(zhí)行時間得到明顯提升。

lower1和lower2代碼效率

4. 消除不必要的內(nèi)存引用

4.1 示例代碼

??以下代碼作用為，計算a數(shù)組中每一行所有元素的和存在b[i]中。

void?sum_rows1(double?*a,?double?*b,?long?n)?{long?i,?j;for?(i?=?0;?i?<?n;?i++)?{b[i]?=?0;for?(j?=?0;?j?<?n;?j++)b[i]?+=?a[i*n?+?j];} }

4.2 分析代碼

??匯編代碼如下所示。

#?sum_rows1?inner?loop .L4:movsd???(%rsi,%rax,8),?%xmm0?#?從內(nèi)存中讀取某個值放到%xmm0addsd???(%rdi),?%xmm0??????#?%xmm0?加上某個值movsd???%xmm0,?(%rsi,%rax,8)?#?%xmm0?的值寫回內(nèi)存，其實就是b[i]addq????$8,?%rdicmpq????%rcx,?%rdijne?????.L4

??這意味著每次循環(huán)都需要從內(nèi)存中讀取b[i]，然后再把b[i]寫回內(nèi)存 。b[i] += ?b[i] + a[i*n + j]; 其實每次循環(huán)開始的時候，b[i]就是上一次的值。為什么每次都要從內(nèi)存中讀取出來再寫回呢？

4.3 改進代碼

/*?Sum?rows?is?of?n?X?n?matrix?aand?store?in?vector?b??*/ void?sum_rows2(double?*a,?double?*b,?long?n)?{long?i,?j;for?(i?=?0;?i?<?n;?i++)?{double?val?=?0;for?(j?=?0;?j?<?n;?j++)val?+=?a[i*n?+?j];b[i]?=?val;} }

??匯編如下所示。

#?sum_rows2?inner?loop .L10:addsd???(%rdi),?%xmm0?#?FP?load?+?addaddq????$8,?%rdicmpq????%rax,?%rdijne?????.L10

??改進后的代碼引入了臨時變量來保存中間結(jié)果，只有在最后的值計算出來時，才將結(jié)果存放到數(shù)組或全局變量中。

5. ?減小不必要的調(diào)用

5.1 示例代碼

??為了方便舉例，我們定義一個包含數(shù)組和數(shù)組長度的結(jié)構體，主要是為了防止數(shù)組訪問越界，data_t可以是int，long等類型。具體如下所示。

typedef?struct{size_t?len;data_t?*data;?? }?vec;vec向量示意圖

??get_vec_element函數(shù)的作用是遍歷data數(shù)組中元素并存儲在val中。

int?get_vec_element?(*vec?v,?size_t?idx,?data_t?*val) {if?(idx?>=?v->len)return?0;*val?=?v->data[idx];return?1; }

??我們將以以下代碼為例開始一步步優(yōu)化程序。

void?combine1(vec_ptr?v,?data_t?*dest) {long?int?i;*dest?=?NULL;for?(i?=?0;?i?<?vec_length(v);?i++)?{data_t?val;get_vec_element(v,?i,?&val);*dest?=?*dest?*?val;} }

5.2 分析代碼

??get_vec_element函數(shù)的作用是獲取下一個元素，在get_vec_element函數(shù)中，每次循環(huán)都要與v->len作比較，防止越界。進行邊界檢查是個好習慣，但是每次都進行就會造成效率降低。

5.3 改進代碼

??我們可以把求向量長度的代碼移到循環(huán)體外，同時抽象數(shù)據(jù)類型增加一個函數(shù)get_vec_start。這個函數(shù)返回數(shù)組的起始地址。這樣在循環(huán)體中就沒有了函數(shù)調(diào)用，而是直接訪問數(shù)組。

data_t?*get_vec_start(vec_ptr?v) {return?v-data; }void?combine2?(vec_ptr?v,?data_t?*dest) {long?i;long?length??=?vec_length(v);data_t?*data?=?get_vec_start(v);*dest?=?NULL;for?(i=0;i?<?length;i++){*dest?=?*dest?*?data[i];} }

6. 循環(huán)展開

6.1 示例代碼

??我們在combine2的代碼上進行改進。

6.2 分析代碼

??循環(huán)展開是通過增加每次迭代計算的元素的數(shù)量，減少循環(huán)的迭代次數(shù)。

6.3 改進代碼

void?combine3(vec_ptr?v,?data_t?*dest) {long?i;long?length?=?vec_length(v);long?limit?=?length-1;data_t?*data?=?get_vec_start(v);data_t?acc?=?NULL;/*?一次循環(huán)處理兩個元素?*/for?(i?=?0;?i?<?limit;?i+=2)?{acc?=?(acc?*?data[i])?*?data[i+1];}/*?????完成剩余數(shù)組元素的計算????*/for?(;?i?<?length;?i++)?{acc?=?acc?*?data[i];}*dest?=?acc; }

??在改進后的代碼中，第一個循環(huán)每次處理數(shù)組的兩個元素。也就是每次迭代，循環(huán)索引i加2，在一次迭代中，對數(shù)組元素i和i+1使用合并運算。一般我們稱這種為2×1循環(huán)展開，這種變換能減小循環(huán)開銷的影響。

注意訪問不要越界，正確設置limit，n個元素，一般設置界限n-1

7. 累計變量，多路并行

7.1 示例代碼

??我們在combine3的代碼上進行改進。

7.2 分析代碼

??對于一個可結(jié)合和可交換的合并運算來說，比如說整數(shù)加法或乘法，我們可以通過將一組合并運算分割成兩個或更多的部分，并在最后合并結(jié)果來提高性能。

特別注意：不要輕易對浮點數(shù)進行結(jié)合。浮點數(shù)的編碼格式和其他整型數(shù)等都不一樣。

7.3 改進代碼

void?combine4(vec_ptr?v,?data_t?*dest) {long?i;long?length?=?vec_length(v);long?limit?=?length-1;data_t?*data?=?get_vec_start(v);data_t?acc0?=?0;data_t?acc1?=?0;/*?循環(huán)展開，并維護兩個累計變量?*/for?(i?=?0;?i?<?limit;?i+=2)?{acc0?=?acc0?*?data[i];acc1?=?acc1?*?data[i+1];}/*?????完成剩余數(shù)組元素的計算????*/for?(;?i?<?length;?i++)?{acc0?=?acc0?*?data[i];}*dest?=?acc0?*?acc1; }

??上述代碼用了兩次循環(huán)展開，以使每次迭代合并更多的元素，也使用了兩路并行，將索引值為偶數(shù)的元素累積在變量acc0中，而索引值為奇數(shù)的元素累積在變量acc1中。因此，我們將其稱為”2×2循環(huán)展開”。運用2×2循環(huán)展開。通過維護多個累積變量，這種方法利用了多個功能單元以及它們的流水線能力

8. 重新結(jié)合變換

8.1 示例代碼

??我們在combine3的代碼上進行改進。

8.2 分析代碼

??到這里其實代碼的性能已經(jīng)基本接近極限了，就算做再多的循環(huán)展開性能提升已經(jīng)不明顯了。我們需要換個思路，注意下combine3代碼中第12行的代碼，我們可以改變下向量元素合并的順序（浮點數(shù)不適用）。重新結(jié)合前combine3代碼的關鍵路徑如下圖所示。

combine3代碼的關鍵路徑

8.3 改進代碼

void?combine7(vec_ptr?v,?data_t?*dest) {long?i;long?length?=?vec_length(v);long?limit?=?length-1;data_t?*data?=?get_vec_start(v);data_t?acc?=?IDENT;/*?Combine?2?elements?at?a?time?*/for?(i?=?0;?i?<?limit;?i+=2)?{acc?=?acc?OP?(data[i]?OP?data[i+1]);}/*?Finish?any?remaining?elements?*/for?(;?i?<?length;?i++)?{acc?=?acc?OP?data[i];}*dest?=?acc; }

??重新結(jié)合變換能夠減少計算中關鍵路徑上操作的數(shù)量，這種方法增加了可以并行執(zhí)行的操作數(shù)量了，更好地利用功能單元的流水線能力得到更好的性能。重新結(jié)合后關鍵路徑如下所示。

combine3重新結(jié)合后關鍵路徑

9 條件傳送風格的代碼

9.1 示例代碼

void?minmax1(long?a[],long?b[],long?n){long?i;for(i?=?0;i,n;i++){if(a[i]>b[i]){long?t?=?a[i];a[i]?=?b[i];b[i]?=?t;}} }

9.2 分析代碼

??現(xiàn)代處理器的流水線性能使得處理器的工作遠遠超前于當前正在執(zhí)行的指令。處理器中的分支預測在遇到比較指令時會進行預測下一步跳轉(zhuǎn)到哪里。如果預測錯誤，就要重新回到分支跳轉(zhuǎn)的原地。分支預測錯誤會嚴重影響程序的執(zhí)行效率。因此，我們應該編寫讓處理器預測準確率提高的代碼，即使用條件傳送指令。我們用條件操作來計算值，然后用這些值來更新程序狀態(tài)，具體如改進后的代碼所示。

9.3 改進代碼

void?minmax2(long?a[],long?b[],long?n){long?i;for(i?=?0;i,n;i++){long?min?=?a[i]?<?b[i]???a[i]:b[i];long?max?=?a[i]?<?b[i]???b[i]:a[i];a[i]?=?min;b[i]?=?max;} }

??在原代碼的第4行中，需要對a[i]和b[i]進行比較，再進行下一步操作，這樣的后果是每次都要進行預測。改進后的代碼實現(xiàn)這個函數(shù)是計算每個位置i的最大值和最小值，然后將這些值分別賦給a[i]和b[i]，而不是進行分支預測。

10. 總結(jié)

??我們介紹了幾種提高代碼效率的技巧，有些是編譯器可以自動優(yōu)化的，有些是需要我們自己實現(xiàn)的。現(xiàn)總結(jié)如下。

消除連續(xù)的函數(shù)調(diào)用。在可能時，將計算移到循環(huán)外。考慮有選擇地妥協(xié)程序的模塊性以獲得更大的效率。

消除不必要的內(nèi)存引用。引入臨時變量來保存中間結(jié)果。只有在最后的值計算出來時，才將結(jié)果存放到數(shù)組或全局變量中。

展開循環(huán)，降低開銷，并且使得進一步的優(yōu)化成為可能。

通過使用例如多個累積變量和重新結(jié)合等技術，找到方法 提高指令級并行。

用功能性的風格重寫條件操作，使得編譯采用條件數(shù)據(jù)傳送。

END

作者：嵌入式那些事

來源：嵌入式與Linux那些事

---

版權歸原作者所有，如有侵權，請聯(lián)系刪除。

IT技術分享社區(qū)

個人博客網(wǎng)站：https://programmerblog.xyz

文章推薦程序員效率：畫流程圖常用的工具程序員效率：整理常用的在線筆記軟件遠程辦公：常用的遠程協(xié)助軟件，你都知道嗎？51單片機程序下載、ISP及串口基礎知識硬件：斷路器、接觸器、繼電器基礎知識

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的程序人生：提高代码运行效率的9个技巧的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。