性能优化:C++语言瓶颈

一味地将性能问题归咎于编程语言问题是不科学也不负责的。

C++的一些语言特性比其它语言更容易形成性能的瓶颈，作为优秀的程序员，应当了解并避免这些瓶颈，一个程序的性能问题到底有多少是取决于使用的语言？使用汇编就一定比使用C++效率高吗？

因此，遇到性能问题，首先应检查和反思程序的总体架构，然后用性能检测工具进行准确测量，再针对瓶颈进行分析和优化，这才是正确思路。

不可否认的是，C++比其它语言更容易产生瓶颈：

• 缺页导致的外部存储调用，引起IO消耗瓶颈。
• 动态内存申请和释放。在C/C++中，从堆中申请和释放内存是一个复杂的过程，因此要尽可能优先考虑从栈中获得内存。
• 复杂对象的创建和销毁。对象的调用往往涉及到深层次的递归调用，从而隐形的引起临时对象。
• 函数调用。函数调用有固定的开销，当函数调用引起的开销大于函数自身处理的开销时，需要考虑内联函数。

C++作为面向对象语言，拥有更清晰地结构和语言特性：

1.构造和析构函数

• 构造函数是对象最先被执行的函数，用来初始化该对象的初始状态和使用前需要准备好的资源。
• 析构函数是对象最后被执行的函数，用来释放对象拥有的资源。

   1: class Derived:public Base

   2: {

   3: public:

   4:     Derived():i(10), name("unnamed")    //初始化列表

   5:     {

   6:         ......

   7:     }

   8:     ......

   9: private:

  10:     int i;                              //变量声明

  11:     string name

  12: }

  13: //构造对象的成员变量时，严格按照声明顺序进行初始化，与其在初始化列表中出现的顺序无关

  14: //成员变量即使没有出现在初始化列表中，也会在初始化操作被赋予默认值

这意味着在进入构造函数前，类的对象和变量就已经被生产和构造，应该将初始化信息在构造的初始化列表中进行，从而避免再构造中有进行一次操作。

2.虚拟函数和继承

虚拟函数是C++语言引入的重要特性，提供“动态绑定”的机制，正是由于这项机制使得继承的语义变得相对清晰。

如果数据成员在各个派生类中都需要，就需要将其声明在基类中；
如果该操作对个派生类都有意义，无论其语义是否被修改，就需要声明在基类中。

如果各个派生类语义完全保持一致，那么这些操作就是基类的非虚拟函数；
如果该操作在各个派生类中语义无法统一，那么就要将其声明为虚拟函数。

每个支持虚拟函数的类，都有一个虚拟函数表，表的项和虚拟函数的个数成正比；
每个支持虚拟函数类的实例，都有一个指向该类对应虚拟函数表的指针，每个实例只有一个指针。

支持虚拟函数类的实例生成时，编译器会在其构造函数中插入代码来初始化虚拟函数指针，使其指向正确的虚拟函数表；
调用虚拟函数，和普通函数调用相比，会多一个根据虚拟函数指针找到虚拟函数表的操作。

虚拟函数只有在运行时才能进行确切调用，无法进行“内联”。

3.临时变量

有时候，C++的问题在于“自作聪明”，为了适应用户的调用从而产生了大量隐形的临时对象。

产生临时对象的场合一般有以下两种：

• 当实际调用函数时传入的参数与函数定义中声明的变量类型不匹配，C++会很“贴心”的产生很多辅助函数用于类型转换。
• 当函数返回一个对象时。

4.内联函数

所谓“内联”，即调用的函数体代码被直接地插入到该函数被调用处，而不是通过call语句进行跳转。

   1: inline string GetName()                   //类外声明需要inline标识

   2: {

   3:     return name;

   4: }

   5:  

   6: class Student

   7: {

   8: public:

   9:     String GetName()    {return name;}    //类内声明不需要inline标识

  10: }

内联函数的调用和替换需要在编译器上进行，考虑到编译器是以文件为单位进行独立处理，应该将内联函数的定义放在头文件中进行。

对于内联函数，我们得对它的特性有深刻的认识：

• 使用内联函数，可以减少系统开销，主要是函数调用过程中产生的栈开销。
• 编译器在处理内联之后，可供分析的代码更多，因此可以做更深入的优化。
• 采用内联函数代码会被拷贝多份，如果调用产生的开销大于内联函数本身，产生的最终代码量会比普通函数少。
• 内联函数分布在头文件中，修改将导致整个工程重新编译。
• 如果依赖库中包含内联函数，依赖库修改，将导致整个工程修改。

 

总而言之，C++确实引进了许多容易造成瓶颈的特性，然而一个程序的性能往往是因为该程序的功能和复杂度引起的，而非语言本身。
在确定瓶颈问题时，需要通过系统的测试仔细分析，从而得出真正的瓶颈所在，而不能轻下定论。