如何最佳化程式的效能

這篇筆記主要是摘抄了具體的程式碼示例，從程式碼中體會如何最佳化程式的效能，《深入理解計算機系統》已經看了近三分之二了，越看越發現自己懂得太少太少了，正在題圖中的絕望之谷徘徊（我自認為是這樣），至少比在愚昧山峰左邊的山腳徘徊要好很多。

我們的編譯器已經提供了很好的最佳化機制，但是還有很多細節編譯器最佳化不到，或者說沒膽量去最佳化，因為有一些激進的最佳化很有可能會違背程式設計師的初心。

// 第一種
void twiddle1(long *xp, long *yp){
    *xp += *yp;
    *xp += *yp;
}

// 第二種
void twiddle2(long *xp, long *yp){
    *xp += 2* *yp;
}

例如上面的程式，看到第一種寫法，我們可能很容易的就想到第二種寫法，但是編譯器卻不會把它變成這種寫法。乍看它們沒什麼區別，我們來分析一下記憶體引用。第一種需要 3 次記憶體引用，即讀\*xp、讀\*yp、寫\*xp；而第二種卻需要 6 次記憶體引用，即2 次讀\*xp、2 次讀\*yp、2 次寫\*xp。所以第一種的效能要比第二種好。

那編譯器看到第一種為什麼就想不到第二種寫法呢？這不是很簡單的規則嗎？實際上上面的程式存在xp = yp的情況，即兩個指標指向同一個記憶體位置。

// 第一種
*xp += *yp; // xp 處存放的值乘以 2
*xp += *yp; // xp 處存放的值乘以 2

// 第二種
*xp += 2* *yp; // xp 處存放的值乘以 3

可以看到，當它們都指向同一塊記憶體時，第一種寫法會讓原來的值增加 4 倍，而第二種寫法會讓原來的值增加 3 倍，產生了不同的效果，而編譯器會當這種情況可能出現，所以編譯器並不會幫我們最佳化第一種程式碼，這需要程式設計師自己去維護。

消除迴圈的低效率

相信很多人都寫過下面類似的程式碼，貌似沒有什麼可以最佳化的，寫的挺好。

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

仔細看，會發現每次迴圈都會去呼叫strlen()函式，而這個函式明顯是要拖累效能的，實際上我們只需要計算一次長度就可以了，現在卻每次迴圈都需要去計算一次長度，所以可以將計算移到前面只計算一次的地方。

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

編譯器雖然會試著去進行程式碼的移動，但是最終還是沒有最佳化，是因為改變在哪裡呼叫函式或者呼叫多少次函式的變換，編譯器並不能比較可靠的發現一個函式是否有副作用，比如下面的情況。

long f();

long func1(){
    return f() + f() + f() + f();
}

long func2(){
    return 4*f();
}

這段程式碼和開篇提到的程式碼在形式上很像，可能你會說：它們不會指到同一塊記憶體了呀，編譯器這也不去最佳化嗎？考慮一下f()是下面的形式。

long count = 0;

long f(){
    return count++;
}

是不是一下就發現問題了，func1()呼叫 4 次f()，而func2()只呼叫 1 次f()，它們最終的結果絕不是簡單的 4 倍關係。

編寫適合條件傳送實現的程式碼

如果編譯器能夠產生使用條件資料傳送而不是條件控制轉移的程式碼，那麼就可以大大的提高程式的效能，關於條件資料傳送和條件控制轉移在舊文順序、條件、迴圈語句的底層解釋中描述的已經很明確了。比如下面的第一種寫法就比第二種要好。

// 第一種
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;
        }
    }
}

// 第二種
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;
    }
}

暫時就寫這幾個吧，還有個消除不必要的記憶體引用，因為它的效能問題不能從程式碼中直接看出來，就不放出來了，工作中儘自己所能寫出優雅的程式碼。

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