筆記——《C程序性能優化》[日】片山善夫

變量與寄存器

未指定優化選項時，編譯器會將程序中的變量儲存到內存上，程序在執行相關運算時會根據須要裝載到寄存器，當運算結束後再將運算器上的內容移到內存，而後生成目標代碼。

但若是指定了優化選項，變量就會盡量地儲存在寄存器上，從而減小訪存時間。

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變量間的乘法運算

和加法運算相同，CPU內部有多個乘法器，它們是爲了同時計算乘法運算而存在的。

變量與常量的乘法

當編譯器進行常量乘法計算時，儘量不使用CPU內的乘法計算器，而使用移位結合加法運算。

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當咱們作「2的乘方+1」（即3，5，9等）的乘法運算時，採用CPU中具有的lea（load　effective address）指令，也能下降執行成本。好比：

將變量與常量5相乘，至關於將寄存器內的值*4+寄存器的值。   注意編譯器在進行計算時可能利用cpu內部全部的計算功能來計算，原本LEA是用於計算地址值的，但這裏卻用於簡化乘法計算。

負數的乘法經過移位運算也能夠代替乘法運算。

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除法操做是比乘法更爲耗時的運算。

與乘法運算相同，除以2的乘方時，能夠經過寄存器內數據的移位操做來提升效率。可是對於負數的除法運算還必須另外考慮？？？？

除數不是2的乘方的除法計算

當除數不是2的乘方時，編譯器也可能會進行優化。可是相關計算比較繁瑣，對於有符號數的要轉化爲無符號數進行計算。

利用減法和移位求除數是5的除法運算。

A/5能夠轉化爲先計算A=A>>2; 因爲除4帶來看「偏差」miss=A

單核CPU中一些運算也多是並行的，好比浮點數乘法運算。

儘管許多程序仍是依賴單線程的執行，現代處理器在單核中也提供了很多的並行性。例如：單個CPU能夠同時執行4個浮點數乘，等待4個內存請求並執行一個分支預判。

避免或減小使用本地變量。

本地變量一般都存儲在棧上。不過若是數量比較少，它們能夠存儲在CPU寄存器中。在這種狀況下，函數不但獲得了更快訪問存儲在寄存器中的數據的好處，也避免了初始化一個棧

幀的開銷。

 

編譯器、中間件篇

操做系統和編譯器的基礎軟件，數據庫軟件、網絡協議棧，擴充文件系統這些軟件叫作中間件。它們捨棄了複雜且原始的計算機操做，將程序員要解決的問題集中起來處理。

• 輸入輸出操做

輸入輸出操做十分耗時，若是能夠將屢次輸入輸出操做集中起來歸併處理。

有效利用輸入輸出緩衝區很是重要。

• 字符串操做

將strcpy函數替換爲memcpy函數可以提升效率。

• 算法

結合數據來調整算法。

4.2 硬件篇--數組和緩存 的有效利用

若存取的數據在內存中是連續的，緩存的做用就能獲得更好發揮。但若是數據在內存中不是連續的，就會發生緩存未命中，從而增長存取時間。

下面經過一個例子來講明如何安排循環來提升緩存利用效率。

矩陣乘法

Cij=sigma(Aik*Bkj)

若是直接將這個式翻譯爲程序的話，結果以下：

for (int i = 0; i < 2; i++){
    for (int k = 0; k < 2; k++){
        for (int j = 0; j < 3; j++){
            //設計循環時，注意到對數組b,當內層循環爲對j的循環時，b[k][j]是連續的，
            //同時在內層環中a[i][k]是一個固定值。並且調換順序後，對結果並不產生影響。但計算速度會加快。但這只是理論上的分析，實際上，並無發現快了。反而是慢了。
            res[i][j] += a[i][k] * b[k][j];
            //有時候爲了提升速度能夠考慮展開內層循環。
        }
    }
}

4.3 庫函數篇

說到字符串比較，你們通常用的是strcmp函數，它是經過對字符串逐個字符進行比較來實現的，但若是要對比的字符串比較長的話，則執行時間也會比較長，這是個難點。

對於須要處理較長的字符串的狀況，或字符串的問題比較大的狀況，能夠考慮將strcmp函數替換爲memcmp函數以實現高效編程。

分析：strcmp是一個字符一個字符進行比較，而memcmp函數將須要比較的字符串分割成4個字節或8個字節一組的詞爲單位進行對比操做，這樣就節約了時間。但請注意：這隻在要比較的字符串的長度比較大時有效。若是字符串長度比較小，可能不如strcmp.

4.5 對比各類輸入輸出函數

行輸入函數的比較

• fgets函數

【C語言】-->語法 fgets函數原理初探 - 省 - 博客頻道 - CSDN.NET
http://blog.csdn.net/chenglibin1988/article/details/8738070

fgets函數在運行過程當中使用到了兩個緩衝區，一個是stdio緩衝區，一個是用於存放用戶輸入的緩衝區。系統調用read把數據讀入緩衝區stdiok ,fgets函數從stdio緩衝區中讀取一行，或規定數量的內容到本身函數參數中規定的緩衝區。

緩衝區stdio的標準容量是4kb，可是可使用setvbuf來擴容。

fgets函數原型爲

char *fgets(char *s, int n, FILE *stream);

從stream（一般是stdin)所指的文件讀入字符到s所指的內存空間中，直到讀到換行符、文件尾或n-1個字符爲止，最後會加上NULL 做爲字符串結束，即s[n-1] = NULL;若是在未讀到n - 1個字符時，讀到了換行符或者 文件結束標誌(EOF)，那麼 就將換行符或者文件結束標誌(EOF)都讀到s中，此時，再在換行符或是文件結束標誌(EOF)後面添加 NULL。 由於這個函數會將換行讀入，因此通常不使用。仍是用gets_s函數。

• getline函數
• 自定義塊大小的行輸入函數。  fread。

對於須要進行海量數據的輸入輸出的程序，須要對輸入輸出環節進行優化。所以通常，不要使用getline函數來讀取數據，而是在自定義大小的輸入輸出函數中定義4MB的輸入緩衝區，而後將數據直接讀入緩衝區，須要時再取出一行的數據就能夠了。

另外，本來咱們在用字段分解輸入行的過程當中使用的是strtok函數，若是能將strspn函數和strcspn函數結合起來使用，效率將會獲得提高。

C語言中strspn()函數和strcspn()函數的對比使用_C 語言_腳本之家
http://www.jb51.net/article/71441.htm 

性能優化上須要有總體的成本意識，儘可能避免太依賴於運行環境或安裝等固定成本，讓其餘人看到代碼後也能嘗試運行一下。

公共子表達式的消除（CSE: common sub-expression elimination)是編譯器的優化方法之一，若是值相同的表達式在程序中出現屢次，則只須要計算一次的一種運算方法。

》》若是一個函數不須要返回值，必定不要定義相應的返回值。

 

統計帶小數部分的數

因爲浮點數的計算相比整數類型計算要慢 ，並且浮點數與字符串之間的轉換也很耗時，因此在須要大量進行浮點數計算時，能夠將其轉化爲整數運算。

方案一：對全部數據規定一個最多小數位N，全部輸入的數據在系統內部都保存成實際數據*10^N,這樣能夠將小數運算轉化爲整數運算。

方案二：若是對浮點數須要很高的精度，64位整數中能處理的十進制數最多19位，若超過這個位數，能夠將小數和整數部分分開存放在兩個64位整數中。例如：

23.333  在整數部分，存入23；小數部分存入333，固然也能夠對小數部分進行擴大後存儲。

60.1  整數部分60，小數部分100。

注意因爲小數部分和整數部分進行了分開存放，因此在進行加法減法運算時，相應的進位和借位須要本身處理。因此雖然64位整數在十進制中能夠有19位數，但在程序中的小數部分只能存放18位，最高位被看成進位和借位標誌。

整數轉換成字符串

sprintf函數能夠將整數輸出到字符串中。

 

斷定字符的字節數

處理UTF-8字符串的程序必須先斷定輸入字符的字節數。UTF-8的字節數根據UNICODE的值定義爲1-6個字節不等。但在2006年的iso中規定，不能對U+200000以上的字符位置進行分配，因此實際上UTF-8的字節數最大隻能到4字節。

對於漢字而言，少數漢字佔用3個字節，大多數漢字佔用4個字節。

半角/全角字符和UNICODE

所謂半角字符和全角字符其實並無標準定義，它是PC在性能低下時，限制字符表示爲等寬字體（fixed width font)的術語。

對於一些特定的問題可使用表格來減小計算量，或用來減小條件分支。

在UTF-8中ascii碼的編碼與原來一致，使用U+0000~U+007F.