C高效程序設(shè)計

1、C高效程序設(shè)計 C+高效程序設(shè)計 最近開發(fā)的一個程序，對代碼的速度要求很高，同時由于已實現(xiàn)的代碼速度不能滿 足要求，因此進(jìn)行了搜索。收藏此篇。 摘要 不管是否愿意承認(rèn)，每個人都希望程序的運(yùn)行速度越快越好。每天人們都你追我 趕，好像明天就是末日。而同時，公關(guān)部的那些家伙則不停的吼叫著，說他們的新 引擎比其他人的更快更好。 我并不打算告訴你如何讓你的代碼跑得比別人的快。我只是想告訴你，如何讓你的 代碼更快、更高效，當(dāng)然，是跟你原來的代碼相比。 我講述的內(nèi)容主要涉及三個概念，這三者之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜： 1、代碼執(zhí)行時間 2、代碼/程序大小 3、程序設(shè)計本身的開支 我始終堅信應(yīng)該保持這三者之間的平衡，

2、尤其在某些情況下，2 3兩項直接影響 了代碼的執(zhí)行時間。 在本文中，我將講述一些可能有助于你提高代碼執(zhí)行效率的方法。我會從最簡單的 優(yōu)化方法開始，然后逐漸深入到那些比較復(fù)雜的技術(shù)。現(xiàn)在我們首先從一個不太顯 眼的地方開始：編譯器。 考慮到讀者中有一些經(jīng)驗豐富的程序員，我的敘述會盡可能簡單，以避免因為細(xì)節(jié) 太多而顯得雜亂不堪。 第一節(jié)公欲善其事，必先利其器 這一節(jié)的內(nèi)容似乎不說也罷，不過仔細(xì)想想，你對你手中的編譯器到底了解多少？ 你知道它可以為哪些處理器生成代碼嗎 ？你知道它可以進(jìn)行哪些類型的優(yōu)化嗎？你知 道它的語言不兼容性嗎？ 當(dāng)你想要寫出點什么的時候，尤其是當(dāng)你希望你的代碼運(yùn)行如飛的時候，了解

3、這些 內(nèi)容將是至關(guān)重要的。 舉例來說，最近在 GameDe的討論組里有人問關(guān)于 Microsoft Visual C+ 的 Release Mode的問題。這是一個標(biāo)準(zhǔn)編譯器選項，如果你使用特定的編譯器，你 就應(yīng)該知道它的意思。如果你不知道，那很遺憾，你并不真正會使用你花費了大量 的金錢買來的東西。簡單來說，Release Mode會刪除所有debug用的代碼，進(jìn)行 所有可能的編譯代碼優(yōu)化，生成更小的可執(zhí)行文件，還讓這個文件運(yùn)行的更快。它 可能還會有一些其它的功能，如果你感興趣，請閱讀編譯器的相關(guān)文檔。 看到了吧，如果你以前并不知道這個Release Mode，我現(xiàn)在就可以告訴你一個讓 你的代

4、碼運(yùn)行更快的方法，而且這個方法不需要你修改任何代碼！ 目標(biāo)平臺也是非常重要的?，F(xiàn)在，你遇到的最低檔的可能就是In tel Pe ntium處理 器了，不過如果你使用10年前的編譯器，那么它不會做任何針對 Pentium的優(yōu) 化。去找一個最新的編譯器，它可能會大大提高程序的運(yùn)行速度，同樣，也不需要 你對代碼做任何的修改。 另外還要注意一些事：你的編譯器有沒有代碼分析(profili ng)工具？如果你連這個 都不知道，那么你就不要指望編寫出更快的代碼了。如果你還不知道什么是代碼分 析工具，那么你還需要更多的學(xué)習(xí)。一個代碼分析工具就是一個用來獲得程序的運(yùn) 行時間的東東。你在代碼分析器(profil

5、er)中運(yùn)行你的程序，做一些操作，然后再 從你的程序中退出，就可以獲得一個關(guān)于每個函數(shù)耗時的報告。你可以根據(jù)這個報 告找到代碼的運(yùn)行瓶頸-就是你的代碼中花費時間最多的部分。對這些部分作一些 特定的優(yōu)化比隨隨便便的在每個地方都做一點優(yōu)化效果要好多了。 不要說但是我知道我的瓶頸在哪！它們可不是光用腦子就可以找到的，尤其是在 使用第三方API和程序庫時。幾個星期前我還遇到一個類似的問題，在一個視頻程 序里，顯示每一幀時都會莫名其妙的產(chǎn)生狀態(tài)切換，而這個動作占用了總執(zhí)行時間 的25%通過簡單的添加一條測試語句(測試狀態(tài)是否已經(jīng)被設(shè)置)，我把相應(yīng)的那 個函數(shù)從分析得到的50個最昂貴的函數(shù)列表中剔除了。

6、看上去在大多數(shù)情況下，使用分析器可以很容易達(dá)到目的，但事實上并非如此。你 必須找到程序中的關(guān)鍵路徑。所謂關(guān)鍵路徑就是程序大部分運(yùn)行時間都在執(zhí)行的路 徑。對關(guān)鍵路徑進(jìn)行優(yōu)化可以顯著的提高運(yùn)行效率，你的用戶也會因此而高興。 另一種情況是，也許你發(fā)現(xiàn)在某個函數(shù)中，時間開支最大的步驟是裝載一個特定的 文件，但是你知道這種情況只會在應(yīng)用程序啟動時發(fā)生一次。對這個函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 也許可以讓程序的總運(yùn)行時間減少幾秒鐘，但不會提升正常使用時的效率。事實 上，這表明你沒有進(jìn)行足夠的代碼分析，因為在正常使用時，這個函數(shù)所占用的時 間百分比將會越來越低，而你的關(guān)鍵路徑所占用的時間百分比將會一路飆升。 我想以上這些內(nèi)容

7、能夠使你對這些工具有了一些了解。 代碼分析工具實在是太好了，記得一定要用！ 如果你還沒有代碼分析器，你可以試試Intel的VTune profiler 。你可以免費試 用它一個月。在下面這個網(wǎng)址下載它。 在本文的下一部分，我將告訴你如何讓你的C/C+編譯器做你想讓它做的事。 第二節(jié) Inlining ，inline 關(guān)鍵字 什么是inlining?我會通過描述inline關(guān)鍵字來回答這個問題。 Inline關(guān)鍵字告訴編譯器在適當(dāng)?shù)牡胤秸归_函數(shù)，它工作起來很像是 C和C+沖 的宏倂defi ne），但是有一點不同。In li ne函數(shù)是類型安全的，其主要作用是幫助 編譯器進(jìn)行代碼優(yōu)化。有了它，你

8、就可以同時具有宏的速度（沒有函數(shù)調(diào)用的額外 開銷）和函數(shù)的類型安全性，以及一大堆其它好處。 還有什么好處呢？大多數(shù)編譯器在同一時間內(nèi)只能優(yōu)化一個模塊中的代碼。通常就 是一個.h/.cpp文件對。使用inline函數(shù)，就使得編譯器對在不同的模塊中的函 數(shù)也可以進(jìn)行代碼優(yōu)化，比如消除返回值拷貝，消除多余的臨時變量，等等。如果 你想要了解更多關(guān)于編譯器優(yōu)化的內(nèi)容，請參考本文結(jié)尾處給出的參考文獻(xiàn)，尤其 是那本講述C+高效編程的書。 可怕的inline 關(guān)鍵字。我不得不這樣說，因為關(guān)于它的誤解實在太多了。Inline 關(guān)鍵字并不強(qiáng)迫編譯器in li ne特定的函數(shù)，而只是建議編譯器這樣做。以下內(nèi)容 引自

9、MSDN The inline keyword tells the compiler that inline expansion is preferred.However,the compiler can create aseparate in sta nee of the fun cti on （i nsta ntiate）a nd create sta ndard calli ng lin kages in stead of in sert ing the code inlin e.（i nline關(guān)鍵字告訴編譯器最好進(jìn)行 in li ne 擴(kuò)展。 但是，編譯器可能會創(chuàng)建一個獨立的函數(shù)實例

10、和一個標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)用連接，而不是將代 碼內(nèi)聯(lián)的插入。） 某些情況下編譯器會忽略你的in li ne 請求，這些情況包括：在in li ne函數(shù)中使用 了循環(huán)；在inline 函數(shù)中調(diào)用其它inline 函數(shù)；遞歸。 上面引用的那段話還隱含著其它一些內(nèi)容：一個聲明為inline的函數(shù)，必須進(jìn)行 內(nèi)部連接。這就是說，如果你的inline函數(shù)在另一個object文件中實現(xiàn)，你的連 接器在連接這個函數(shù)時就會卡殼。ANSI標(biāo)準(zhǔn)倒是提供了一種方法解決這個問題， 可惜的是目前為止Visual C+（6.0）尚不支持這種解決辦法。 那么，你要問了，到底應(yīng)該怎么辦呢?答案很簡單：總是在同一個模塊中實現(xiàn) inline

11、函數(shù)。這個方法做起來很簡單，只要將整個函數(shù)實現(xiàn)寫到.h文件中，并且 在所有用到這個函數(shù)的模塊中包含這個.h文件。也許這并不想你想象中的那么美 好，不過它的確可以正常工作。 事實上，考慮到隱藏實現(xiàn)的問題（我是個面向?qū)ο笃珗?zhí)狂），我并不喜歡這個方法。 但是最近我的確使用這個方法編寫了很多類。有一個好處是，我不需要輸入 inline 這個關(guān)鍵字-如果你把整個函數(shù)定義放進(jìn)類定義中，編譯器會自動的把它 看成inline 函數(shù)。如果一個類的所有函數(shù)都應(yīng)該是inline 的，那么我就把整個類 定義及實現(xiàn)都寫進(jìn)頭文件中。我建議你只在真正迫切的需要提高運(yùn)行速度時才這樣 做，當(dāng)然，你也不在意太多的人 share你

12、的代碼。 第三節(jié)搭乘類高速列車 設(shè)計執(zhí)行速度快的類是C+程序設(shè)計的關(guān)鍵。我用一個3d向量類來說明這個問題 （這在我的工作中是很常見的類）。事實上，就在前幾個星期，我剛剛完成了一個向 量類。在編寫這個類的一個月里，我犯下了太多錯誤。 一個向量類是必須的，因為工作中有大量的向量數(shù)學(xué)運(yùn)算，顯然每次都要反復(fù)書寫 相同的內(nèi)容。如果你想提高編碼效率，同時又不想犧牲代碼運(yùn)行速度，那么就要編 寫一個向量類，我的這一個叫作 CVector3f（3f的意思是三個float數(shù)據(jù)）。為了提 高代碼的可讀性和可維護(hù)性，我希望利用C+韋大的特性之一-運(yùn)算符重載 （operator overloading）實現(xiàn)一些運(yùn)算符函

13、數(shù)（+，-，*）。 在最初的設(shè)計中，我很快的實現(xiàn)了一個構(gòu)造函數(shù)、一個拷貝構(gòu)造函數(shù)、一個析構(gòu)函 數(shù)以及上面提到的那三個運(yùn)算符。設(shè)計過程中，我沒有特別考慮效率的問題，也沒 有使用inline函數(shù)，只是簡單的把函數(shù)聲明放入頭文件，把函數(shù)實現(xiàn)放入.cpp文 件中。 下一步是讓它跑得更快。我做的第一件事是在頭文件中將所有成員函數(shù)聲明為 inline函數(shù)。如果編譯器真的將它們處理成in li ne函數(shù)，那么我們就可以節(jié)省下 函數(shù)調(diào)用的額外開銷。對于我的向量類中的那些小函數(shù)來說，執(zhí)行速度有了顯著的 提升，不過對于那些較大的函數(shù)來說，這樣做可能不會有明顯的效果。 我想到的第二件事是：我們真的需要析構(gòu)函數(shù)嗎？正

14、常情況下編譯器會為我們生成 一個空的析構(gòu)函數(shù)，通常它會比我們寫的析構(gòu)函數(shù)效率更高。在我們的向量類中， 并沒有什么東西需要析構(gòu)，那么為什么還要浪費時間？ 運(yùn)算符也可以跑得更快。先前的運(yùn)算符函數(shù)大致如下： CVector3f operato 葉(CVector3f v) CVector3f returnVector ； returnVector.m_x=m_x+v.m_x ； returnVector.m_y=m_y+v.m_y ； returnVector.m_z=m_z+v.m_z ； return returnVector ； 這段代碼隱藏著眾多的多余代碼，著實令人煩惱。我們來仔細(xì)看看這段代

15、碼，代碼 的第一行聲明并構(gòu)造了一個臨時變量。這就是說，這個對象的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)被調(diào) 用，但是我們并不需要初始化它，因為我們將要給它賦一個全新的值。 代碼結(jié)尾處的return語句也是一樣-returnVector是一個局部變量，所以不能被 馬上用于return。此時，拷貝構(gòu)造函數(shù)將被調(diào)用，這將會占用相當(dāng)多的處理器時 間，尤其對于這樣的小函數(shù)更是如此。另一個隱藏的更深的家伙是傳遞到函數(shù)的參 數(shù)。這個參數(shù)同樣是一個實參的拷貝，于是更多的內(nèi)存被占用，更多的拷貝構(gòu)造函 數(shù)被調(diào)用。如果我們編寫一個新的構(gòu)造函數(shù)-它接受x、y、z三個參數(shù)，并且這樣 使用它： CVector3f operat o葉(co nst

16、 CVector3f array1=1,array2=2； 而第二個版本會稍微快一點，因為不需要建立一個循環(huán)-i的初始化和自加會消耗 一點時間。大部分編譯器已經(jīng)可以完成這樣的工作，所以在大多數(shù)情況下，你可能 不會得到太多的好處，同時代碼卻會大大的膨脹。我的建議是，如果你再也找不出 其它增加速度的方法，那么就試試這個，但是不要對它希望太大。 2、移位（bit shifti ng） 移位只對整數(shù)運(yùn)算起作用。通過移位進(jìn)行 2的整數(shù)次幕的乘除法要比直接進(jìn)行乘法 運(yùn)算快很多（當(dāng)然比除法運(yùn)算更快），這是一個基本常識。 為了理解它的用法，考慮下面這幾個公式： x y=x/2 y Andr LaMothe 在

17、他的Tricks of the Game Programming Gurus 一書中大量的 闡述了這方面的內(nèi)容。在某些情況下，這種方法可以帶來巨大的回報。思考下面的 這段簡化了的代碼： i*=256 ； 與之對應(yīng)的 i=i 8 ； 在邏輯上它們完全相同。對于這個簡單的例子，編譯器很可能會自動將第一條語句 轉(zhuǎn)換為第二句，但是當(dāng)你進(jìn)行更復(fù)雜的計算時(比如i=i 8+i 4 等于i*=272)，編 譯器可能就無能為力了。 3、指針解引用(dereferenee)操作的地獄 你的代碼中有類似下面的內(nèi)容嗎？ for(int i=0； i numPixels ； i+) ren deri ng_con t

18、ext-back_buffer-surface-bitsi=some_value； 這也許有些夸張，但是可以說明問題。這是一個很長的循環(huán)，而且所有指針的解引 用操作耗費了大量的時間。 你可能會認(rèn)為這是一個不實際的例子，但是我曾經(jīng)在許多網(wǎng)上發(fā)布的代碼中見過與 之類似的內(nèi)容。 為什么不這樣做？ un sig ned char*back_surface_bits=re nderi ng_con text-back_buffer-surface- bits ； for(int i=0； i numPixels ； i+) back_surface_bitsi=some_value ； 這樣你就避免了大

19、量的解引用操作，這會大大的提高運(yùn)行速度，何樂而不為。 在G上，Goltrpoat給出了一個更快的方法，這個方法非常有效，強(qiáng)烈 推薦： un sig ned char*back_surface_bits=re nderi ng_con text-back_buffer-surface- bits ； for(int i=0； i numPixels ； i+,back_surface_bits+) *back_surface_bits=some_value ； 面的內(nèi)容只是下面內(nèi)容的一個特例(雖然經(jīng)常出現(xiàn))： 4、循環(huán)中進(jìn)行不必要的運(yùn)算 考慮下面這個循環(huán)的代碼： for(int i=0； i n

20、umPixels ； i+) float brighte n_value=view_directio n*light_bright ness*(1/view_dista nee) back_surface_bitsi*=brighte n_value； 計算brighten_value 不僅代價昂貴，而且也是完全不必要的。這個計算完全不受 循環(huán)的影響，所以可以簡單的移動到循環(huán)外，而在循環(huán)中只需反復(fù)使用 brighten_value 的值即可。 這個問題也可能以另一種形式出現(xiàn)-在被循環(huán)或者對象構(gòu)造函數(shù)反復(fù)調(diào)用的函數(shù)中 進(jìn)行不必要的初始化。謹(jǐn)慎的對待你的代碼，要不斷的問自己 我真的需要做這些 事嗎

21、?。 5、內(nèi)嵌匯編代碼 最后一種方法，如果你真的、真的明白自己在做什么，并且知道為什么它會變得更 快，你可以使用內(nèi)嵌匯編代碼，或者甚至是使用C風(fēng)格鏈接方式的純匯編代碼(這 樣它可以被你的C/C+程序調(diào)用)。不管怎樣，如果你使用內(nèi)嵌匯編，那么要不然 使用條件編譯(測試你編寫的匯編代碼是否被你的編譯平臺支持)，要不然放棄代碼 兼容性。對于普通的80 x86匯編，你可能不用考慮太多，但是如果你使用MMX SSE或 3DNOW指令，就限制了代碼的平臺兼容性。 當(dāng)你不得不進(jìn)行這項工作時，一個反編譯工具可能會有用。你可以讓大多數(shù)編譯器 生成匯編代碼，然后你就可以仔細(xì)的檢查它，看看是否能手動的提高代碼的效率。 再說一次，這里又涉及到第一節(jié)中講到的問題。在Visual Studio 中，你可以使用 /FA和/Fa編譯器開關(guān)來生成匯編代碼文件。 第五節(jié)數(shù)學(xué)優(yōu)化 1、使用簡單的數(shù)學(xué)表達(dá)式以提高效率 下面列舉的只是你所能做到的事情中的一部分，顯而易見但決不可忽視的問題。 a*b+a*c=a*(b+c);在不改變表達(dá)式含義的情況下，等號左邊的表達(dá)式比右邊的 少一次乘法運(yùn)算； b/ a+c/a=(1/a)*(b+c);這