高性能c语言编码

c语言编码–优化tips

• 好的算法
• 减少指令数
• 减少跳转

对于cpu密集型进程来说，语言层面有下面一些tips可供参考和借鉴

1.减少指令数

1.1 简单函数使用宏或者内联函数

非内联函数会有入栈、出栈的操作，

int min(int a, int b)  {    return a < b ? a b;}

改成使用
#define min(a,b) ((a) < (b) ? (a) : (b))

1.2、少用乘法
定点乘需要花费n个指令周期，移位只需要一个指令周期，若乘以一个2的N次方数
可以使用移位

len = len * 4;

改为
len <<= 2;

1.3、慎用除/求余
除法需要耗费许多周期，可以将除法转化为乘法

f = f / 5.0

转化为：
f = f * 0.2

1.4、精度允许情况将浮点转化为定点运算

Pixel_C = (int) (Pixel_A * Alpha + Pixel_B(1 -Alpha))  alpha范围（0,1）浮点

转化为
Pixel_C = (int) (Pixel_A * Alpha + Pixel_B *(32 - ALpha) + 16) >> 5 alpha 取值范围(0,32) 定点整数

2、减少跳转

2.1 减少分支

cpu是流水执行，if switch等指令会带来跳转，跳转会影响水流执行效率for (i=0; i<100; i++) {    if (i % 2) {        a[i] = x;    } else {        a[i] = y;    }}

转化为

for (i=0;i<100;i+=2) {    a[i] = x;    a[i + 1] = y;}

2.2 最可能的路径放到if 中

int a = -5;int b = 0;if (a > 0) {    b = 1;} else {    b = 2;}

由于没有历史信息可参考，Static Predictor 静态预测器 预测不跳转，a = 5预测错分支，错误取了b = 1指令，又要重新取指令
代码关键路径，可以借助 likely unlikely指定分支转移信息（GCC 版本需>= 2.96），将有利于分支预测的整体效率

#define likely(x)       __builtin_expect((x),1)#define unlikely(x)     __builtin_expect((x),0)

3.尽量避免访内

访问一级cache只需要消耗几个指令周期， 访问二级缓存也只要十几个指令周期，访问内存需要消耗上百个指令周期，也要尽量避免 cache miss

3.1 减少使用数组、指针

大块内存会被放在存储器中，局部变量才会放到寄存器中，全局变量可能被多个模块和函数使用，编译器也不会放入寄存器中c = a[i] * b[i];d = a[i] + b[i];

以上语句会访问四次内存，改为

x = a[i];y = b[i];c = x * y;d = x + y;

只访问两次内存

3.2 少用全局变量

int x;int func(){    int y, z;    y = x;    z = x + 1;}

最好改为

int x;int func(){    int y, z,tmp;    tmp  = x;    y = tmp;    z = tmp + 1;}

3.3、对齐访问

不对齐访问cpu将会做多余的拼接操作，使执行效率变低

3.4、大数据结构时cache line对齐

cpu 取指令和数据时，先从一级和二级的LD/LP中查找数据，Intel 大多cache line 为64 bytes,对大结构分配内存时，尽量保持64byte对齐，减少cache miss
一个64byte 的数据如果非64byte对齐时，将占用两个cache line，会产生两次cache miss
多核情况也更容易一致性问题，cache line变脏。
举例：经常使用的struct sockaddr_storage

#define _K_SS_MAXSIZE   128 /* Implementation specific max size */#define _K_SS_ALIGNSIZE (__alignof__ (struct sockaddr *))                /* Implementation specific desired alignment */struct __kernel_sockaddr_storage {    unsigned short  ss_family;      /* address family */    /* Following field(s) are implementation specific */    char        __data[_K_SS_MAXSIZE - sizeof(unsigned short)];                /* space to achieve desired size, */                /* _SS_MAXSIZE value minus size of ss_family */} __attribute__ ((aligned(_K_SS_ALIGNSIZE)));   /* force desired alignment */

3.5 程序、数据访问符合cache空间、时间局部性

for (j=0;j<500;j++) {    for (i=0;i<5000;i++){        sum += a[i][j];    }}

应该采用,cache的命中率才高
for (i=0;i<500;i++) {
for (j=0;j<5000;j++){
sum += a[i][j];
}
}

a[i][j]在Cache中，a[i][j+1]也在cache中，而a[i+1][j]不一定在cache中

3.6 多线程尽量避免访内 false sharing**

cache line是cache从内存取数据的最小单位，程序开辟了一个数组Arr,Arr[0]给线程0使用，Arr[1]给线程1使用，线程0在0核上运行，线程1在1核上允许，数组Arra既被cache到核0上，又被cache到核1上,如果线程0修改了Arr[0],那么cache一致性就使核1的这行cache line无效，导致线程1发生 cache miss，同样的过程发生在核1上修改Arr[1];

false sharing 会导致大量的cache 冲突，应该尽量避免，将多个线程范文的数据放置在不同的cache line 上

3.7 自己管理内存动态分配

避免频繁 malloc/free，内存碎片、降低内存泄露风险，频繁申请内存导致内存分散，加大cache miss概率，动态申请内存后，不做无用初始化，操作系统为了提高性能也使用COW(copy-on-write)策略，在fork子进程的时候不会立即复制进程的所有页表，只有代码段或者数据段改写才重新创建新空间