程序優(yōu)化那些事兒

程序優(yōu)化那些事兒一、程序優(yōu)化概述二、一個(gè)典型的優(yōu)化范例三、程序性能分析四、程序框架優(yōu)化四、程序邏輯優(yōu)化五、代碼優(yōu)化技巧六、編譯器優(yōu)化七、程序優(yōu)化實(shí)施步驟內(nèi)容一覽程序優(yōu)化： 運(yùn)用各種方法、技巧對現(xiàn)有的代碼重新進(jìn)行編排、調(diào)整，以達(dá)到更高的運(yùn)行性能。程序優(yōu)化的目標(biāo)： 提高運(yùn)行速度

降低資源消耗（程序體積，內(nèi)存占用、cpu、進(jìn)程數(shù)、句柄等）下面介紹一個(gè)優(yōu)化的例子，有圖有真相概述一個(gè)例子目標(biāo)：把彩色相片轉(zhuǎn)成黑白相片公式：Y=0.299*R+0.587*G+0.114*B一個(gè)例子優(yōu)化結(jié)果機(jī)型普通去浮點(diǎn)去除法查表展開循環(huán)性能提高嵌入式s12045302199%筆記本ms441280060240941090%臺式機(jī)ms36562360123465657984%決定程序運(yùn)行性能的因素： 硬件平臺 軟件平臺 程序架構(gòu) 程序邏輯 算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 代碼編寫技巧 編譯器性能分析1.硬件平臺：cpu的架構(gòu)、頻率，內(nèi)存大小等 監(jiān)控采用多個(gè)多核x86cpu代替sparc，內(nèi)存也提高到4G，以解決300個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能問題。 不同架構(gòu)的CPU，其特點(diǎn)也不相同，根據(jù)應(yīng)用需求選擇。2.軟件平臺：操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、第三方庫、JVM 相同硬件下，cosmos在solaris9上比solaris10上效率更高，在debian4上比在debian5上更少占cpu，和操作系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)計(jì)有關(guān)系。平臺優(yōu)化1.程序架構(gòu)優(yōu)化重新調(diào)整程序的架構(gòu)，消除不合理的架構(gòu)設(shè)計(jì)引起的程序性能瓶頸。2.程序邏輯優(yōu)化在仔細(xì)分析業(yè)務(wù)邏輯的前提下，尋求更合理、更簡單、更高效的程序處理邏輯，以提高程序處理性能。3.代碼優(yōu)化使用各種代碼編寫技巧，按照編譯器優(yōu)化的方法和處理器執(zhí)行指令的特點(diǎn)，對已有正確代碼重新安排、調(diào)整，以獲得更好的性能

程序優(yōu)化的三個(gè)層次程序架構(gòu)優(yōu)化程序架構(gòu)：輪詢/觸發(fā)、多線程/單線程、共享內(nèi)存/管道、同步/異步

優(yōu)點(diǎn)：能夠從根本上解決性能問題

缺點(diǎn)：改動(dòng)大，成本高，并且可能造成程序的不穩(wěn)定61850服務(wù)器端處理報(bào)告的方式：

sisco默認(rèn)的是定期向裝置讀取所有報(bào)告中配置的數(shù)據(jù)，掃描周期可以配置。掃描周期長了，數(shù)據(jù)上送的慢；短了，cpu受不了。

咱們裝置可以主動(dòng)上送變化數(shù)據(jù)，后來改成觸發(fā)模式，上送速度快且cpu占用低。61850客戶端下發(fā)請求的方式：

采用異步請求方式，在等待請求返回的時(shí)候不耽誤其他工作程序邏輯優(yōu)化邏輯優(yōu)化一般只涉及到模塊內(nèi)的功能的調(diào)整，對程序整體影響較小，且往往能同時(shí)提高運(yùn)行速度、減小程序體積、提高程序的可維護(hù)性。1.去除程序中無用的邏輯處理，去除cosmos初始化過程中的getalldatavalue過程2.根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)，舍棄部分通用性和模塊性asn1固定長度的編碼asn1_parse函數(shù)3.按照業(yè)務(wù)邏輯流程定制程序流程gsv_on_recved_gooseMessage4.合并同類數(shù)據(jù)的處理，減少程序執(zhí)行次數(shù)如客戶端處理報(bào)告的方法，緩存零散報(bào)告，統(tǒng)一處理；如客戶端調(diào)定值的處理，一次下發(fā)多個(gè)定值請求1.代碼優(yōu)化一般只對代碼進(jìn)行的較小規(guī)模的修改，大多數(shù)情況下只針對熱點(diǎn)函數(shù)進(jìn)行。2.了解一些代碼優(yōu)化技巧，養(yǎng)成習(xí)慣，在不影響可讀性的前提下編寫普遍高效的代碼。3.代碼優(yōu)化往往對程序的其他方面造成影響，如可讀性、模塊性等，要慎重使用。代碼優(yōu)化-概述代碼優(yōu)化-降低運(yùn)算的強(qiáng)度1.用移位操作代替乘除法

a=b/8;改為:a=b>>3;a=a*8;改為:a=b<<3;a=b%8;改為:a=b&7;a=a*9;改為:a=b<<3+b 位操作只需一個(gè)指令周期即可完成，而大部分的C編譯器的乘除運(yùn)算均是調(diào)用子程序來完成，代碼長、執(zhí)行速度慢。代碼優(yōu)化-降低運(yùn)算的強(qiáng)度2.用加法代替乘法

for(i=0;i<MAX;i++)h=14*i;for(i=h=0;i<MAX;i++)h+=14;3.合并除法以減少除法的次數(shù)doublex=a/b/c;優(yōu)化成doublex=a/(b*c)doublex=a/b+c/b;優(yōu)化成doublex=(a+c)/b代碼優(yōu)化-降低運(yùn)算的強(qiáng)度4.如果被除數(shù)比除數(shù)大的倍數(shù)不多，可以用減法代替除法。intx=200; inty=70; inta=x/y; intb=x%y; 優(yōu)化后： intx1=200; inty1=70; inta1=0; intb1=x; while(b1>=y1){ b1-=y1; a1++; }代碼優(yōu)化-降低運(yùn)算的強(qiáng)度5.用乘法代替除法

doublex=a/b;doubley=c/b;優(yōu)化后：doubletmp=1/b;doublex=a*tmp;doubley=b*tmp6.在誤差允許的情況下，采用近似計(jì)算除法比如顏色處理時(shí)，uint8color=a/255;優(yōu)化成uint8color=a/256即a>>8。代碼優(yōu)化-降低運(yùn)算的強(qiáng)度6.整數(shù)代替浮點(diǎn)數(shù)7.按需選擇賦值符號a=a+1要寫為a++;

a=a+b要寫為a+=b，后者生成的匯編指令更少8.查表法彩圖轉(zhuǎn)換黑白圖的例子 如果表很大，不好寫，就寫一個(gè)init函數(shù)，在循環(huán)外臨時(shí)生成表格。 如果怕初始化時(shí)間太長，或者用到的點(diǎn)比較少且比較固定，可以在用到的時(shí)候再計(jì)算，存到表里。代碼優(yōu)化-函數(shù)1.使用宏定義代替函數(shù)定義#defineasn1_GetBOOL(pdata,punit,value)\{\value=pdata[(punit)->offset]&0x01;\}優(yōu)點(diǎn)：避免函數(shù)調(diào)用帶來的開銷：傳遞參數(shù)的開銷和保存當(dāng)前程序上下文信息所花費(fèi)的開銷，函數(shù)越復(fù)雜需要花費(fèi)的開銷就越大缺點(diǎn)：1.使用這種方法在優(yōu)化程序速度的同時(shí)，卻增加了內(nèi)存的開銷，因?yàn)樵诿總€(gè)應(yīng)用宏的地方宏都會展開；2.無法跟蹤調(diào)試；3.宏可讀性比較差，容易出現(xiàn)問題代碼優(yōu)化-函數(shù)2.減少函數(shù)的參數(shù)個(gè)數(shù)，把多個(gè)參數(shù)合成一個(gè)結(jié)構(gòu)體，或者使用全局變量代替，傳遞的參數(shù)越多開銷越大3.用合適參數(shù)傳遞方法，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等體積較大的參數(shù)，傳遞指針4.不需要返回值時(shí)，聲明返回值為void代碼優(yōu)化-if判斷If判斷的特點(diǎn)： 1.從左到右對表達(dá)式求值； 2當(dāng)結(jié)果確定后就不再計(jì)算其他表達(dá)式的值1.把計(jì)算速度快的表達(dá)式放到左邊：if(strlen(a)>100||b>10)改為if(b>10||strlen(a)>100)2.把概率大的放到左邊：if(a>100||b>0)改為if(b>0||a>100)代碼優(yōu)化-if判斷3.Ifelse語句和switch中，把最常出現(xiàn)的判斷放在前面示例見code_opt工程switch.cpp4.變換表達(dá)式,通過代數(shù)恒等式代替復(fù)雜操作if(!a&&!b)改為if(!(a||b))，可以少一次!操作；用if(a<b)代替if(sqrt(a)<sqrt(b))代碼優(yōu)化-循環(huán)1循環(huán)展開，減少維護(hù)循環(huán)所有做的工作for(i=0;i<100;i++) do_stuff(i);新代碼:for(i=0;i<100;i+=5){do_stuff(i);do_stuff(i+1);do_stuff(i+2);do_stuff(i+3);do_stuff(i+4);}性能測試見code_opt.cpp代碼優(yōu)化-循環(huán)2.循環(huán)合并，把多個(gè)對相同一組元素進(jìn)行操作的循環(huán)合并到一起示例見code_opt.cpp3.循環(huán)中找到相應(yīng)的值后就停止循環(huán)while((i++)<1000){ if(i==100){ do_something();

break; } }代碼優(yōu)化-循環(huán)4.把循環(huán)中不變的判斷拿到循環(huán)外面 如果循環(huán)過程中，判斷的條件不會變，就把它拿到循環(huán)外，從而避免在循環(huán)中進(jìn)行判斷示例見code_opt.cpp代碼優(yōu)化-循環(huán)5.盡可能減少在循環(huán)內(nèi)部做的工作

編寫高效循環(huán)的關(guān)鍵在于盡可能減少循環(huán)內(nèi)部所做的工作，如果可以在循環(huán)外面完成某語句或某個(gè)運(yùn)算，而在循環(huán)內(nèi)只是使用計(jì)算結(jié)果，就把它放到循環(huán)外面For(inti=0;i<count;i++) A=b->c->d->e*(75.5/23)*rate[i];優(yōu)化成：Tmp=75.5/23;E_tmp=b->c->d->e;For(inti=0;i<count;i++) A=e_tmp*tmp*rate[i];減少了三次指針解引用和一個(gè)除法運(yùn)算的時(shí)間代碼優(yōu)化-循環(huán)6.循環(huán)嵌套時(shí)，把最忙的循環(huán)放到最內(nèi)層，可以減少總循環(huán)的次數(shù)

for（column=0;column<100;column++)for(row=0;row<5;row++) sum=sum+table[row][column]; 里面的循環(huán)執(zhí)行5*100次，外面的循環(huán)執(zhí)行100次，共600次，把外層循環(huán)拿到內(nèi)層后，外層是5次循環(huán)，內(nèi)層是100*5次，共505次，節(jié)省了（600-505）/600即16%的時(shí)間。代碼優(yōu)化-緩存利用緩存機(jī)制提高程序性能1.使用緩存提高訪問速度：如cpu的高速緩存機(jī)制2.減少函數(shù)調(diào)用：如報(bào)告接收處理，把多個(gè)報(bào)告的結(jié)果進(jìn)行緩存，通過一次回調(diào)給上層。3.防止數(shù)據(jù)丟失：如網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中的緩存和61850服務(wù)器中的緩存報(bào)告4.減少運(yùn)算次數(shù)：緩存需要大量計(jì)算的值，如查表法代碼優(yōu)化-編譯期初始化發(fā)現(xiàn)程序中可能存在的運(yùn)算結(jié)果不變的表達(dá)式，使用事先計(jì)算好的值代替

比如在計(jì)算以2為底的函數(shù)中

UnsignedintLog2(unsignedintx) { Return(unsignedint)(log(x)/log(2)); } 其中l(wèi)og(2)是個(gè)常量，事先計(jì)算好替代，減少一次log()調(diào)用代碼優(yōu)化-系統(tǒng)函數(shù)注意耗時(shí)的系統(tǒng)函數(shù)，根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的系統(tǒng)函數(shù) 如上一個(gè)例子，log()函數(shù)是系統(tǒng)提供的函數(shù)，為了滿足絕大多數(shù)應(yīng)用，它的精度很高，內(nèi)部還會把你傳入的整數(shù)轉(zhuǎn)成double處理，而我們只需要返回一個(gè)整數(shù)，因此log()對我們來書是大材小用，因此改成如下UnsignedintLog2(unsignedintx){ if(x<2)return0; if(x<4)return1; if(x<8)return2; if(x<16)return3; .... if(x<2147483648)return30;} 這個(gè)函數(shù)只用到了整數(shù)，根本沒有浮點(diǎn)的計(jì)算，性能得到大幅優(yōu)化。代碼優(yōu)化-系統(tǒng)函數(shù) 另一種簡化寫法,能適應(yīng)更多位的情形，32位、64位等UnsignedintLog2(unsignedintx){ Unsignedinti=0; While((x=(x>>1))!=0) i++; Retruni;}代碼優(yōu)化-數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1.選用夠用的類型，減少空間浪費(fèi)但是哪種效率最高是由cpu決定的，比如charshortint對armv6的效率是一樣的2.使用聯(lián)合體節(jié)約內(nèi)存3.使用正確的變量類型，避免沒必要的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換；代碼優(yōu)化-數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.巧用字節(jié)對齊的原則節(jié)省內(nèi)存

為了提高數(shù)據(jù)存取效率，編譯器默認(rèn)會對結(jié)構(gòu)體（包括其他地方的變量）進(jìn)行處理，讓寬度為2的基本數(shù)據(jù)類型（short等）都位于能被2整除的地址上，讓寬度為4的基本數(shù)據(jù)類型（int等）都位于能被4整除的地址上，以此類推。這樣，兩個(gè)數(shù)中間就可能需要加入填充字節(jié)，所以整個(gè)結(jié)構(gòu)體的sizeof值就增長了。示例見code_opt.cpp修改編譯器設(shè)置可以指定對齊字節(jié)數(shù)，添加#pragmapack(4)或修改VC6的工程設(shè)置。代碼優(yōu)化-動(dòng)態(tài)內(nèi)存動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請的問題：1.效率低，在堆上申請內(nèi)存需要很多時(shí)間2.產(chǎn)生較多內(nèi)存碎片，系統(tǒng)性能越來越低，最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰3.忘記釋放，導(dǎo)致內(nèi)存泄露4.可能分配失敗，導(dǎo)致程序異常。代碼優(yōu)化-動(dòng)態(tài)內(nèi)存如何減少動(dòng)態(tài)內(nèi)存申請1.事先估算所有內(nèi)存需求，初始化時(shí)提前申請，一直用下去Iec61850v2中的動(dòng)態(tài)內(nèi)存優(yōu)化例子，mvl61850_rpt.c2.使用實(shí)變量代替動(dòng)態(tài)申請Char*str=malloc(strlen); 改為 charstr[MAX_LEN];4.多個(gè)變量使用一次申請int*a,*b;float*c;double*d a=malloc(sizeof(int)*2+sizeof(float)+sizeof(double); b=a+1; c=(float*)(b+1); d=(double*)(c+1);5.使用內(nèi)存池模式代碼優(yōu)化-其他使用匯編重寫熱點(diǎn)函數(shù)，一般能提高30%以上的性能示例gsmv中asn1_parse.asm文件使用編譯器優(yōu)化選項(xiàng)優(yōu)化，根據(jù)程序性能低下的特點(diǎn)選用相關(guān)的優(yōu)化選項(xiàng)使用宏定義，在編譯期屏蔽不同平臺下不需要的功能提高關(guān)鍵進(jìn)程的優(yōu)先級選用高性能的算法示例排序算法，見qsort工程代碼優(yōu)化總結(jié)代碼優(yōu)化不是解決性能問題的唯一法寶，1.從實(shí)施效果看，完善框架設(shè)計(jì)、調(diào)整程序邏輯設(shè)計(jì)、選擇更好的算法常常能帶來更大幅度的性能提升2.從實(shí)施過程看，提高硬件規(guī)格或者合理設(shè)置編譯器優(yōu)化選項(xiàng)會更方便選擇合適的足夠精度的測量方法，找出真正影響性能的地方，并且每次修改完測試修改效果代碼優(yōu)化需要反復(fù)嘗試，這樣才能得到理想的性能提高不同的編譯器和運(yùn)行環(huán)境對同樣的優(yōu)化方法的性能提升是不一樣的為性能優(yōu)化工作做好準(zhǔn)備的最佳方式是初期編寫清晰易懂的代碼，從而后期方便代碼的理解和修改幾個(gè)導(dǎo)致性能低下的原因編碼時(shí)容錯(cuò)方面的考慮為提高程序的容錯(cuò)性，假設(shè)輸入不可靠，可能導(dǎo)致每層接口對同樣的輸入都做嚴(yán)格的檢測及錯(cuò)誤處理，致使性能受損。代碼模塊化的設(shè)計(jì)模塊化的設(shè)計(jì)提高了軟件的可維護(hù)性和可擴(kuò)展性，但如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，模塊間的接口與通信可能產(chǎn)生性能瓶頸。需求的變化為滿足新的需求，程序員不斷的修改代碼，而老的需求不存在時(shí)，一般也不會去除相關(guān)無用的代碼；更改代碼時(shí)往往考慮的是如何使改動(dòng)最小而不是最合理，時(shí)間久了，程序中冗余代碼增多，程序邏輯也越來越混亂，性能自然降低。兼容性的需要設(shè)計(jì)接口時(shí)，為了兼容老的版本或者滿足更多應(yīng)用的場景，過多的考慮了實(shí)現(xiàn)的兼容性、通用性，導(dǎo)致接口邏輯復(fù)雜，判斷分支過多，很多實(shí)際上用不到的特性增加了程序的開銷何時(shí)開始優(yōu)化1.性能優(yōu)化開始的越早越好。軟件設(shè)計(jì)階段就考慮了性能的問題，將來的改動(dòng)就較少，越到后期改動(dòng)的成本會越高問題：過早的考慮了代碼的優(yōu)化，追求代碼性能的高效，而在實(shí)際運(yùn)行過程中，其實(shí)只有很少一部分熱點(diǎn)函數(shù)需要優(yōu)化，結(jié)果對可讀性、擴(kuò)展性帶來損害。何時(shí)開始優(yōu)化2.待軟件功能開發(fā)完成后再來考慮優(yōu)化的事，功能都沒做好，優(yōu)化有什么用呢，防止做太多無用功問題：實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，沒有從程序的邏輯、算法等方面沒有考慮性能問題，導(dǎo)致后期僅僅優(yōu)化熱點(diǎn)函數(shù)仍然無法滿足要求，不得不大動(dòng)干戈修改程序邏輯和算法甚至架構(gòu)，造成損失更大何時(shí)開始優(yōu)化正確的方法：1.在需求階段，就要把性能指標(biāo)定義下來2.在軟件設(shè)計(jì)階段，根據(jù)這些指標(biāo)考量程序邏輯和算法3.軟件功能基本完成后，測試性能，對邏輯做細(xì)微調(diào)整，查找熱點(diǎn)函數(shù)，進(jìn)行代碼優(yōu)化優(yōu)化的步驟根據(jù)實(shí)際需求，確定性能指標(biāo)，給出一個(gè)合適的評價(jià)性能的標(biāo)準(zhǔn)：理想值，下限值。進(jìn)行優(yōu)化之前，一定考慮清楚性能指標(biāo)是合理且必須的測試程序當(dāng)前的狀況，離目標(biāo)還有多遠(yuǎn)，做到心中有數(shù)分析程序，查找性能瓶頸，一般來講20%的代碼占用的80%的時(shí)間修改程序。程序優(yōu)化應(yīng)優(yōu)先優(yōu)化程序邏輯，然后才是代碼級別的優(yōu)化。測試，驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)果如果滿足要求，就停止優(yōu)化。否則回到3。防止過度優(yōu)化，可能會降低代碼可讀性，浪費(fèi)時(shí)間精力。性能分析性能低下的表現(xiàn)：1.程序的運(yùn)算量很大，導(dǎo)致cpu過于繁忙2.程序需要做大量的I/O操作，讀寫文件、網(wǎng)絡(luò)等，cpu更多的是等待3.程序直接互相等待，cpu利用低，但程序依然運(yùn)行緩慢查找性能瓶頸的方法：1.根據(jù)程序表現(xiàn)，分析程序流程，走讀代碼2.在程序中添加日志，記錄時(shí)標(biāo)及相關(guān)信息3.使用性能分析工具，如linux下有top、gprof和OProfile等，windows下有aqtime等編譯器-概述主流的C/C++編譯器：MS的CL、GNU的gcc、Intel的icl、Codegear的bcc。衡量編譯的標(biāo)準(zhǔn)：編譯速度、對標(biāo)準(zhǔn)的支持度、目標(biāo)程序的性能、支持的平臺、編譯器的體積、易用性編譯器的選擇在大部分平臺上，gcc是C/C++編譯器的首選，對C/C++標(biāo)準(zhǔn)的支持也是最完善的。intel的編譯器針對