C++性能优化指南

前言　　xvii

第 1章　优化概述　　1

1.1　优化是软件开发的一部分　　2

1.2　优化是高效的　　3

1.3　优化是没有问题的　　3

1.4　这儿一纳秒，那儿一纳秒　　5

1.5　C 代码优化策略总结　　5

1.5.1　用好的编译器并用好编译器　　6

1.5.2　使用更好的算法　　7

1.5.3　使用更好的库　　8

1.5.4　减少内存分配和复制　　9

1.5.5　移除计算　　9

1.5.6　使用更好的数据结构　　9

1.5.7　提高并发性　　10

1.5.8　优化内存管理　　10

1.6　小结　　10

第 2章　影响优化的计算机行为　　11

2.1　C 所相信的计算机谎言　　12

2.2　计算机的真相　　12

2.2.1　内存很慢　　13

2.2.2　内存访问并非以字节为单位　　13

2.2.3　某些内存访问会比其他的更慢　　14

2.2.4　内存字分为大端和小端　　14

2.2.5　内存容量是有限的　　15

2.2.6　指令执行缓慢　　16

2.2.7　计算机难以作决定　　16

2.2.8　程序执行中的多个流　　16

2.2.9　调用操作系统的开销是昂贵的　　18

2.3　C 也会说谎　　18

2.3.1　并非所有语句的性能开销都相同　　18

2.3.2　语句并非按顺序执行　　18

2.4　小结　　19

第3章　测量性能　　20

3.1　优化思想　　21

3.1.1　必须测量性能　　21

3.1.2　优化器是猎人　　21

3.1.3　90/10规则　　22

3.1.4　阿姆达尔定律　　23

3.2　进行实验　　24

3.2.1　记实验笔记　　26

3.2.2　测量基准性能并设定目标　　26

3.2.3　你只能改善你能够测量的　　28

3.3　分析程序执行　　28

3.4　测量长时间运行的代码　　30

3.4.1　一点关于测量时间的知识　　30

3.4.2　用计算机测量时间　　35

3.4.3　克服测量障碍　　41

3.4.4　创建stopwatch类　　44

3.4.5　使用测试套件测量热点函数　　48

3.5　评估代码开销来找出热点代码　　48

3.5.1　评估独立的C 语句的开销　　49

3.5.2　评估循环的开销　　49

3.6　其他找出热点代码的方法　　51

3.7　小结　　51

第4章　优化字符串的使用：案例研究　　53

4.1　为什么字符串很麻烦　　53

4.1.1　字符串是动态分配的　　54

4.1.2　字符串就是值　　54

4.1.3　字符串会进行大量复制　　55

4.2　尝试优化字符串　　56

4.2.1　使用复合赋值操作避免临时字符串　　57

4.2.2　通过预留存储空间减少内存的重新分配　　57

4.2.3　消除对参数字符串的复制　　58

4.2.4　使用迭代器消除指针解引　　59

4.2.5　消除对返回的字符串的复制　　59

4.2.6　用字符数组代替字符串　　60

4.3　尝试优化字符串　　62

4.3.1　使用更好的算法　　62

4.3.2　使用更好的编译器　　64

4.3.3　使用更好的字符串库　　64

4.3.4　使用更好的内存分配器　　67

4.4　消除字符串转换　　69

4.4.1　将C字符串转换为std::string　　69

4.4.2　不同字符集间的转换　　70

4.5　小结　　70

第5章　优化算法　　71

5.1　算法的时间开销　　72

5.1.1　情况的时间开销　　74

5.1.2　摊销时间开销　　74

5.1.3　其他开销　　75

5.2　优化查找和排序的工具箱　　75

5.3　高效查找算法　　75

5.3.1　查找算法的时间开销　　75

5.3.2　当n很小时，所有算法的时间开销都一样　　76

5.4　高效排序算法　　77

5.4.1　排序算法的时间开销　　77

5.4.2　替换在情况下性能较差的排序算法　　77

5.4.3　利用输入数据集的已知特性　　78

5.5　优化模式　　78

5.5.1　预计算　　79

5.5.2　延迟计算　　80

5.5.3　批量处理　　80

5.5.4　缓存　　80

5.5.5　特化　　81

5.5.6　提高处理量　　81

5.5.7　提示　　81

5.5.8　优化期待路径　　82

5.5.9　散列法　　82

5.5.10　双重检查　　82

5.6　小结　　82

第6章　优化动态分配内存的变量　　83

6.1　C 变量回顾　　84

6.1.1　变量的存储期　　84

6.1.2　变量的所有权　　86

6.1.3　值对象与实体对象　　86

6.2　C 动态变量API回顾　　88

6.2.1　使用智能指针实现动态变量所有权的自动化　　90

6.2.2　动态变量有运行时开销　　92

6.3　减少动态变量的使用　　92

6.3.1　静态地创建类实例　　92

6.3.2　使用静态数据结构　　93

6.3.3　使用std::make_shared 替代new 表达式　　97

6.3.4　不要无谓地共享所有权　　97

6.3.5　使用“主指针”拥有动态变量　　98

6.4　减少动态变量的重新分配　　99

6.4.1　预分配动态变量以防止重新分配　　99

6.4.2　在循环外创建动态变量　　99

6.5　移除无谓的复制　　100

6.5.1　在类定义中禁止不希望发生的复制　　101

6.5.2　移除函数调用上的复制　　102

6.5.3　移除函数返回上的复制　　103

6.5.4　免复制库　　105

6.5.5　实现写时复制惯用法　　106

6.5.6　切割数据结构　　106

6.6　实现移动语义　　107

6.6.1　非标准复制语义：痛苦的实现　　107

6.6.2　std::swap()：“穷人”的移动语义　　108

6.6.3　共享所有权的实体　　109

6.6.4　移动语义的移动部分　　109

6.6.5　更新代码以使用移动语义　　110

6.6.6　移动语义的微妙之处　　 111

6.7　扁平数据结构　　113

6.8　小结　　113

第7章　优化热点语句　　115

7.1　从循环中移除代码　　116

7.1.1　缓存循环结束条件值　　117

7.1.2　使用更高效的循环语句　　117

7.1.3　用递减替代递增　　118

7.1.4　从循环中移除不变性代码　　118

7.1.5　从循环中移除无谓的函数调用　　119

7.1.6　从循环中移除隐含的函数调用　　121

7.1.7　从循环中移除昂贵的、缓慢改变的调用　　123

7.1.8　将循环放入函数以减少调用开销　　123

7.1.9　不要频繁地进行操作　　124

7.1.10　其他优化技巧　　126

7.2　从函数中移除代码　　126

7.2.1　函数调用的开销　　126

7.2.2　简短地声明内联函数　　129

7.2.3　在使用之前定义函数　　129

7.2.4　移除未使用的多态性　　130

7.2.5　放弃不使用的接口　　130

7.2.6　用模板在编译时选择实现　　133

7.2.7　避免使用PIMPL惯用法　　134

7.2.8　移除对DDL的调用　　135

7.2.9　使用静态成员函数取代成员函数　　136

7.2.10　将虚析构函数移基类中　　136

7.3　优化表达式　　137

7.3.1　简化表达式　　137

7.3.2　将常量组合在一起　　138

7.3.3　使用更高效的运算符　　139

7.3.4　使用整数计算替代浮点型计算　　139

7.3.5　双精度类型可能会比浮点型更快　　140

7.3.6　用闭形式替代迭代计算　　141

7.4　优化控制流程惯用法　　142

7.4.1　用switch替代if-else　if-else　　142

7.4.2　用虚函数替代switch 或if　　143

7.4.3　使用无开销的异常处理　　144

7.5　小结　　145

第8章　使用更好的库　　146

8.1　优化标准库的使用　　146

8.1.1　C 标准库的哲学　　147

8.1.2　使用C 标准库的注意事项　　147

8.2　优化现有库　　149

8.2.1　改动越少越好　　149

8.2.2　添加函数，不要改动功能　　150

8.3　设计优化库　　150

8.3.1　草率编码后悔多　　150

8.3.2　在库的设计上，简约是一种美德　　151

8.3.3　不要在库内分配内存　　152

8.3.4　若有疑问，以速度为准　　152

8.3.5　函数比框架更容易优化　　152

8.3.6　扁平继承层次关系　　153

8.3.7　扁平调用链　　153

8.3.8　扁平分层设计　　153

8.3.9　避免动态查找　　154

8.3.10　留意“上帝函数”　　155

8.4　小结　　156

第9章　优化查找和排序　　157

9.1　使用std::map和std::string的键值对表　　158

9.2　改善查找性能的工具箱　　159

9.2.1　进行一次基准测量　　160

9.2.2　识别出待优化的活动　　160

9.2.3　分解待优化的活动　　160

9.2.4　修改或替换算法和数据结构　　161

9.2.5　在自定义抽象上应用优化过程　　162

9.3　优化std::map的查找　　163

9.3.1　以固定长度的字符数组作为std::map的键　　163

9.3.2　以C风格的字符串组作为键使用std::map　　164

9.3.3　当键就是值的时候，使用map的表亲std::set　　166

9.4　使用头文件优化算法　　167

9.4.1　以序列容器作为被查找的键值对表　　168

9.4.2　std::find()：功能如其名，O(n)时间开销　　169

9.4.3　std::binary_search()：不返回值　　169

9.4.4　使用std::equal_range()的二分查找　　170

9.4.5　使用std::lower_bound()的二分查找　　170

9.4.6　自己编写二分查找法　　171

9.4.7　使用strcmp()自己编写二分查找法　　172

9.5　优化键值对散列表中的查找　　173

9.5.1　使用std::unordered_map进行散列　　173

9.5.2　对固定长度字符数组的键进行散列　　174

9.5.3　以空字符结尾的字符串为键进行散列　　175

9.5.4　用自定义的散列表进行散列　　176

9.6　斯特潘诺夫的抽象惩罚　　177

9.7　使用C 标准库优化排序　　178

9.8　小结　　179

第 10章　优化数据结构　　181

10.1　理解标准库容器　　181

10.1.1　序列容器　　182

10.1.2　关联容器　　182

10.1.3　测试标准库容器　　183

10.2　std::vector与std::string　　187

10.2.1　重新分配的性能影响　　188

10.2.2　std::vector中的插入与删除　　188

10.2.3　遍历std::vector　　190

10.2.4　对std::vector排序　　191

10.2.5　查找std::vector　　191

10.3　std::deque　　191

10.3.1　std::deque中的插入和删除　　193

10.3.2　遍历std::deque　　194

10.3.3　对std::deque 的排序　　194

10.3.4　查找std::deque　　194

10.4　std::list　　194

10.4.1　std::list中的插入和删除　　196

10.4.2　遍历std::list中　　197

10.4.3　对std::list排序　　197

10.4.4　查找std::list　　197

10.5　std::forward_list　　198

10.5.1　std::forward_list中的插入和删除　　199

10.5.2　遍历std::forward_list　　199

10.5.3　对std::forward_list排序　　199

10.5.4　查找std::forward_list　　199

10.6　std::map与std::multimap　　199

10.6.1　std::map中的插入和删除　　200

10.6.2　遍历std::map　　202

10.6.3　对std::map排序　　202

10.6.4　查找std::map　　203

10.7　std::set与std::multiset　　203

10.8　std::unordered_map与std::unordered_multimap　　204

10.8.1　std::unordered_map中的插入与删除　　206

10.8.2　遍历std::unordered_map　　207

10.8.3　查找std::unordered_map　　207

10.9　其他数据结构　　208

10.10　小结　　209

第 11章　优化I/O　　210

11.1　读取文件的秘诀　　210

11.1.1　创建一个吝啬的函数签名　　211

11.1.2　缩短调用链　　213

11.1.3　减少重新分配　　213

11.1.4　更大的吞吐量——使用更大的输入缓冲区　　215

11.1.5　更大的吞吐量——一次读取一行　　216

11.1.6　再次缩短函数调用链　　217

11.1.7　无用的技巧　　218

11.2　写文件　　219

11.3　从std::cin读取和向std::cout中写入　　220

11.4　小结　　220

第 12章　优化并发　　221

12.1　复习并发　　222

12.1.1　并发概述　　222

12.1.2　交叉执行　　226

12.1.3　顺序一致性　　226

12.1.4　竞争　　227

12.1.5　同步　　228

12.1.6　原子性　　228

12.2　复习C 并发方式　　230

12.2.1　线程　　230

12.2.2　promise和future　　231

12.2.3　异步任务　　233

12.2.4　互斥量　　234

12.2.5　锁　　235

12.2.6　条件变量　　236

12.2.7　共享变量上的原子操作　　238

12.2.8　展望未来的C 并发特性　　240

12.3　优化多线程C 程序　　241

12.3.1　用std::async替代std::thread　　242

12.3.2　创建与核心数量一样多的可执行线程　　243

12.3.3　实现任务队列和线程池　　244

12.3.4　在单独的线程中执行I/O　　245

12.3.5　没有同步的程序　　245

12.3.6　移除启动和停止代码　　247

12.4　让同步更加高效　　248

12.4.1　减小临界区的范围　　248

12.4.2　限制并发线程的数量　　249

12.4.3　避免惊群　　250

12.4.4　避免锁护送　　250

12.4.5　减少竞争　　250

12.4.6　不要在单核系统上繁忙等待　　251

12.4.7　不要永远等待　　252

12.4.8　自己设计互斥量可能会低效　　252

12.4.9　限制生产者输出队列的长度　　252

12.5　并发库　　253

12.6　小结　　254

第 13章　优化内存管理　　255

13.1　复习C 内存管理器API　　255

13.1.1　动态变量的生命周期　　256

13.1.2　内存管理函数分配和释放内存　　256

13.1.3　new表达式构造动态变量　　259

13.1.4　delete表达式处置动态变量　　261

13.1.5　显式析构函数调用销毁动态变量　　262

13.2　高性能内存管理器　　263

13.3　提供类专用内存管理器　　264

13.3.1　分配固定大小内存的内存管理器　　265

13.3.2　内存块分配区　　267

13.3.3　添加一个类专用new()运算符　　269

13.3.4　分配固定大小内存块的内存管理器的性能　　270

13.3.5　分配固定大小内存块的内存管理器的变化形式　　270

13.3.6　非线程安全的内存管理器是高效的　　271

13.4　自定义标准库分配器　　271

13.4.1　C 11分配器　　273

13.4.2　C 98分配器的其他定义　　274

13.4.3　一个分配固定大小内存块的分配器　　278

13.4.4　字符串的分配固定大小内存块的分配器　　279

13.5　小结　　281

作者介绍　　282

封面介绍　　282