C++高性能编程

第1篇 性 能 基 础

第1章 性能和并发性简介 3

1.1 程序员要关注性能的原因 3

1.2 有关性能重要性的解释 6

1.3 程序性能 8

1.3.1 吞吐量指标 8

1.3.2 功耗指标 9

1.3.3 实时应用性能 10

1.3.4 上下文环境 11

1.4 评估和预测性能 12

1.5 精通高性能应用程序开发 13

1.6 小结 14

1.7 思考题 15

第2章 性能测量 17

2.1 技术要求 17

2.2 性能测量示例 18

2.3 性能基准测试 25

2.3.1 C++计时器 25

2.3.2 高分辨率计时器 26

2.4 性能分析 31

2.4.1 perf性能分析器 32

2.4.2 使用perf 进行详细性能分析 34

2.4.3 Google Performance性能分析器 37

2.4.4 使用调用图进行性能分析 38

2.4.5 优化和内联 42

2.4.6 实际性能分析 44

2.5 微基准测试 45

2.5.1 微基准测试的基础知识 45

2.5.2 微基准测试和编译器优化 48

2.5.3 Google Benchmark 51

2.5.4 微基准测试是谎言 54

2.6 小结 58

2.7 思考题 59

第3章 CPU架构、资源和性能 61

3.1 技术要求 61

3.2 CPU和性能 62

3.3 使用微基准测试性能 64

3.4 可视化指令级并行性 70

3.5 数据依赖和流水线 72

3.6 流水线和分支 77

3.6.1 分支预测 80

3.6.2 分支预测错误的性能分析 82

3.7 推测执行 85

3.8 复杂条件的优化 86

3.9 无分支计算 90

3.9.1 循环展开 90

3.9.2 无分支选择 91

3.9.3 无分支计算示例 93

3.10 小结 96

3.11 思考题 97

第4章 内存架构和性能 99

4.1 技术要求 99

4.2 影响性能的不止CPU 100

4.3 测量内存访问速度 102

4.3.1 内存架构 103

4.3.2 测量内存和缓存速度 105

4.4 内存的速度：数字 108

4.4.1 随机内存访问速度 108

4.4.2 顺序内存访问速度 111

4.4.3 硬件中的内存性能优化 113

4.5 优化内存性能 115

4.5.1 高效使用内存的数据结构 116

4.5.2 分析内存性能 119

4.5.3 优化内存性能的算法 121

4.6 机器里的“幽灵” 126

4.6.1 关于Spectre 127

4.6.2 Spectre攻击示例 129

4.6.3 释放“幽灵” 133

4.7 小结 137

4.8 思考题 137

第5章 线程、内存和并发 139

5.1 技术要求 139

5.2 理解线程和并发 139

5.2.1 关于线程 140

5.2.2 对称多线程 141

5.2.3 线程和内存 141

5.2.4 内存受限程序和并发 145

5.3 了解内存同步的成本 146

5.4 数据共享成本高昂的原因 151

5.5 了解并发和顺序 157

5.5.1 顺序的需要 157

5.5.2 内存顺序和内存屏障 159

5.5.3 C++中的内存顺序 165

5.6 内存模型 168

5.7 小结 172

5.8 思考题 172

第2篇 并发的高级应用

第6章 并发和性能 175

6.1 技术要求 175

6.2 高效使用并发需要的条件 176

6.3 锁、替代品及其性能 177

6.3.1 基于锁、无锁和无等待的程序 179

6.3.2 针对不同问题的不同锁 181

6.3.3 锁与无锁的真正区别 185

6.4 并发编程的构建块 187

6.4.1 并发数据结构的基础知识 188

6.4.2 计数器和累加器 191

6.4.3 发布协议 196

6.5 并发编程的智能指针 198

6.5.1 发布指针 198

6.5.2 原子共享指针 201

6.6 小结 204

6.7 思考题 204

第7章 并发数据结构 205

7.1 技术要求 205

7.2 关于线程安全数据结构 205

7.2.1 *好的线程安全性 206

7.2.2 真正的线程安全性 208

7.3 线程安全栈 208

7.3.1 线程安全的接口设计 209

7.3.2 互斥锁保护的数据结构的性能 211

7.3.3 不同用途的性能要求 213

7.3.4 有关栈性能的细节讨论 217

7.3.5 同步方案的性能估计 220

7.3.6 无锁栈 223

7.4 线程安全队列 229

7.4.1 无锁队列 230

7.4.2 非顺序一致的数据结构 235

7.4.3 并发数据结构的内存管理 238

7.5 线程安全列表 240

7.5.1 列表的挑战 240

7.5.2 无锁列表 243

7.6 小结 249

7.7 思考题 249

第8章 C++中的并发 251

8.1 技术要求 251

8.2 C++11中的并发支持 251

8.3 C++17中的并发支持 253

8.4 C++20中的并发支持 256

8.4.1 协程的基础知识 257

8.4.2 协程C++语法 261

8.4.3 协程示例 262

8.5 小结 268

8.6 思考题 269

第3篇 设计和编写高性能程序

第9章 高性能C++ 273

9.1 技术要求 273

9.2 关于编程语言的效率 273

9.3 不必要的复制 275

9.3.1 复制和参数传递 275

9.3.2 将复制作为一种实现技术 277

9.3.3 复制以存储数据 278

9.3.4 复制返回值 279

9.3.5 使用指针避免复制 283

9.3.6 避免不必要的复制 284

9.4 低效的内存管理 285

9.4.1 不必要的内存分配 285

9.4.2 并发程序中的内存管理 289

9.4.3 避免内存碎片 290

9.5 条件执行的优化 293

9.6 小结 295

9.7 思考题 296

第10章 C++中的编译器优化 297

10.1 技术要求 297

10.2 编译器优化代码 297

10.2.1 有关编译器优化的基础知识 298

10.2.2 函数内联 300

10.2.3 编译器真正知道的东西 305

10.2.4 将运行时信息转换为编译时信息 311

10.3 小结 314

10.4 思考题 315

第11章 未定义行为和性能 317

11.1 技术要求 317

11.2 关于未定义行为 317

11.3 产生未定义行为的缘由 320

11.4 未定义行为和C++优化 321

11.5 使用未定义行为进行高效设计 330

11.6 小结 333

11.7 思考题 334

第12章 性能设计 335

12.1 技术要求 335

12.2 设计与性能之间的相互作用 335

12.3 着眼于性能的设计 336

12.3.1 *小信息原则 337

12.3.2 *大信息原则 338

12.4 API设计注意事项 344

12.4.1 有关并发的API设计 344

12.4.2 复制和发送数据 349

12.5 优化数据访问的设计 351

12.6 性能权衡 354

12.6.1 接口设计 354

12.6.2 组件设计 355

12.6.3 错误和未定义的行为 356

12.7 做出明智的设计决策 357

12.8 小结 359

12.9 思考题 359

附录 思考题解答 361

第1章 性能和并发性简介 361

第2章 性能测量 361

第3章 CPU架构、资源和性能 362

第4章 内存架构和性能 363

第5章 线程、内存和并发 364

第6章 并发和性能 365

第7章 并发数据结构 365

第8章 C++中的并发 366

第9章 高性能C++ 367

第10章 C++中的编译器优化 368

第11章 未定义行为和性能 369

第12章 性能设计 369