第 8 章:使用更好的库_《C++性能优化指南》_notes

第八章核心知识点解析

1. 优化标准库的使用
   知识点：选择合适的数据结构、预分配内存、减少拷贝

#include <vector>
#include <chrono>
#include <iostream>

// 测试vector的reserve对性能的影响
void test_vector_reserve() {
    const int N = 1000000;
    
    // 不预分配内存
    {
        std::vector<int> v;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            v.push_back(i);
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Without reserve: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }

    // 预分配内存
    {
        std::vector<int> v;
        v.reserve(N);
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            v.push_back(i);
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "With reserve: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }
}

int main() {
    test_vector_reserve();
    return 0;
}

输出示例：

Without reserve: 5432μs
With reserve: 1276μs

关键点：

• reserve()预分配内存避免多次重新分配
• 减少内存分配次数可提升3-4倍性能
• 适用于vector、string等动态容器

2. 优化现有库
   知识点：添加批量处理接口

#include <vector>
#include <chrono>
#include <iostream>

// 原始单元素处理接口
void process_element(std::vector<int>& vec, int value) {
    vec.push_back(value * 2);
}

// 优化的批量处理接口
void process_batch(std::vector<int>& vec, const std::vector<int>& values) {
    vec.reserve(vec.size() + values.size());
    for(auto v : values) {
        vec.push_back(v * 2);
    }
}

void test_batch_processing() {
    const int N = 10000;
    std::vector<int> input(N, 5);
    
    // 单次处理测试
    {
        std::vector<int> result;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(auto v : input) {
            process_element(result, v);
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Single processing: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }

    // 批量处理测试
    {
        std::vector<int> result;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        process_batch(result, input);
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Batch processing: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }
}

int main() {
    test_batch_processing();
    return 0;
}

输出示例：

Single processing: 856μs
Batch processing: 213μs

关键点：

• 批量处理减少函数调用开销
• 预分配内存进一步提升性能
• 接口设计要考虑使用场景

3. 设计高效库
   知识点：扁平化调用链

#include <chrono>
#include <iostream>

// 深层次调用链
class DeepCallChain {
public:
    void level3(int x) { data = x * 2; }
    void level2(int x) { level3(x); }
    void level1(int x) { level2(x); }
    int get() const { return data; }
private:
    int data;
};

// 扁平化调用链
class FlatCallChain {
public:
    void process(int x) { data = x * 2; }
    int get() const { return data; }
private: 
    int data;
};

void test_call_chain() {
    const int N = 1000000;
    
    // 深层次调用
    {
        DeepCallChain obj;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            obj.level1(i);
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Deep call chain: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }

    // 扁平调用
    {
        FlatCallChain obj;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            obj.process(i);
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Flat call chain: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }
}

int main() {
    test_call_chain();
    return 0;
}

输出示例：

Deep call chain: 2563μs
Flat call chain: 1245μs

关键点：

• 减少函数调用层级
• 避免不必要的中间调用层
• 扁平调用提升约50%性能

4. 避免动态查找
   知识点：用直接访问替代查找

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <chrono>
#include <iostream>

void test_access_method() {
    const int N = 100000;
    std::vector<int> data(N);
    std::iota(data.begin(), data.end(), 0);
    
    // 查找方式访问
    {
        int sum = 0;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            auto it = std::find(data.begin(), data.end(), i);
            if(it != data.end()) sum += *it;
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Find access: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }

    // 直接索引访问
    {
        int sum = 0;
        auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        for(int i=0; i<N; ++i) {
            sum += data[i];
        }
        auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
        std::cout << "Direct access: " 
                  << std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end-start).count()
                  << "μs\n";
    }
}

int main() {
    test_access_method();
    return 0;
}

输出示例：

Find access: 12563μs
Direct access: 256μs

关键点：

• 查找操作时间复杂度O(n)
• 直接索引访问复杂度O(1)
• 性能差异可达50倍以上

编译与测试建议

1. 使用C++11及以上标准编译：

g++ -std=c++11 -O2 example.cpp -o example

2. 运行测试：

./example

3. 典型优化效果对比：

• 内存预分配可提升3-5倍性能
• 批量接口比单次处理快2-4倍
• 扁平调用链比深层次快1.5-2倍
• 直接访问比查找快10-50倍

总结优化原则

1. 预分配原则：对已知大小的容器使用reserve()
2. 批量处理：设计支持批量操作的接口
3. 扁平设计：减少不必要的调用层次
4. 直接访问：用索引替代查找操作
5. 内存重用：避免重复分配/释放内存

重点内容：

1. 标准库性能特征与实现差异
2. 自定义内存分配器的设计与应用
3. 避免抽象惩罚的编程技巧
4. 高效算法和数据结构的选择
5. 字符串处理优化策略
6. 模板元编程的性能影响
7. 异常处理的开销控制
8. 线程安全与性能平衡
9. 缓存友好型数据结构设计
10. 编译器优化选项的合理使用

第一部分：多选题（10题）

1. 关于标准库容器的性能优化，以下哪些说法正确？
   A) vector的push_back时间复杂度是O(n)
   B) unordered_map的查找复杂度总是O(1)
   C) deque在中间插入元素的时间复杂度是O(n)
   D) list的迭代器失效规则与vector相同

2. 下列哪些方法可以有效减少动态内存分配？
   A) 使用对象池模式
   B) 优先使用emplace_back代替push_back
   C) 为string预先调用reserve()
   D) 使用std::make_shared创建智能指针

3. 关于字符串优化，哪些做法正确？
   A) 小字符串优化(SSO)可以避免堆分配
   B) 使用+=拼接比多次operator+更高效
   C) 移动语义可以完全消除字符串拷贝
   D) c_str()调用会触发深拷贝

4. 以下哪些算法选择可能提升性能？
   A) 用std::sort替代冒泡排序
   B) 用std::lower_bound替代线性查找
   C) 用std::list替代std::vector存储频繁修改的序列
   D) 用std::array替代原始数组

5. 关于内存分配器，正确的有：
   A) 自定义分配器可以减少锁竞争
   B) std::allocator是线程安全的
   C) 内存池适合固定大小对象的分配
   D) 对齐分配对SIMD指令很重要

6. 哪些模板使用可能影响性能？
   A) 深度嵌套的模板实例化
   B) 递归模板元编程
   C) 使用类型擦除的any类型
   D) 模板参数推导失败

7. 关于异常处理，正确的有：
   A) 异常规范影响代码优化
   B) try块会增加函数调用开销
   C) noexcept声明帮助编译器优化
   D) 异常捕获应尽量精确

8. 缓存友好的设计包括：
   A) 使用紧凑数据结构
   B) 预取相邻内存数据
   C) 随机访问链表节点
   D) 对齐内存访问边界

9. 编译器优化相关：
   A) -O3可能增加代码体积
   B) LTO优化链接时代码
   C) PGO需要训练数据
   D) restrict关键字帮助别名分析

10. 线程安全优化策略：
    A) 读写锁减少竞争
    B) thread_local变量避免锁
    C) 无锁数据结构消除等待
    D) 原子操作总是比锁高效

第二部分：设计题

设计题1：高效字符串拼接

// 要求：实现零拷贝的字符串拼接，支持链式调用
class StringBuilder {
public:
    StringBuilder& append(const std::string& s);
    std::string build();
private:
    // 设计存储结构
};

设计题2：内存池分配器

// 实现固定块大小的内存池，支持STL容器
template <typename T>
class PoolAllocator {
public:
    using value_type = T;
    // 必要接口实现
};

设计题3：类型擦除优化

// 设计替代虚函数调用的高效多态方案
template <typename T>
class FunctionWrapper {
public:
    template <typename F>
    FunctionWrapper(F&& f);
    void operator()() const;
private:
    // 存储策略
};

设计题4：SIMD优化矩阵乘法

// 使用AVX指令优化4x4矩阵乘法
void matrix_multiply_avx(const float* a, const float* b, float* result);

设计题5：无锁队列

// 实现多生产者单消费者的无锁队列
template <typename T>
class LockFreeQueue {
public:
    void push(const T& value);
    bool pop(T& value);
private:
    // 设计节点结构和原子操作
};

答案与解析

多选题答案：

1. BC
   C正确，deque中间插入O(n)；B哈希表平均O(1)
   A错，摊销O(1)；D错，vector插入会使迭代器失效

2. ABCD
   全部正确，B/D减少临时对象，A/C预分配

3. AB
   C错，移动可能保留容量；D错，c_str()不触发拷贝

4. AB
   C错，vector更适合随机访问；D类型安全但性能相同

5. ACD
   B错，标准分配器线程安全但可能有锁

6. ABC
   D是编译错误，不影响运行性能

7. ACD
   B错，try块本身无运行时开销

8. ABD
   C链表导致缓存不命中

9. ABCD
   全部正确

10. ABC
    D错，原子操作可能更慢

设计题答案示例（部分）：

设计题1实现：

class StringBuilder {
    std::vector<std::reference_wrapper<const std::string>> parts;
public:
    StringBuilder& append(const std::string& s) {
        parts.emplace_back(s);
        return *this;
    }
    
    std::string build() const {
        size_t total = 0;
        for (const auto& s : parts) total += s.get().size();
        std::string result;
        result.reserve(total);
        for (const auto& s : parts) result += s.get();
        return result;
    }
};

// 测试用例
int main() {
    StringBuilder sb;
    sb.append("Hello").append(" ").append("World");
    assert(sb.build() == "Hello World");
}

设计题2实现：

template <typename T>
class PoolAllocator {
    struct Block { Block* next; };
    Block* freeList = nullptr;
    
public:
    T* allocate(size_t n) {
        if (n != 1 || !freeList) {
            return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
        }
        auto head = freeList;
        freeList = freeList->next;
        return reinterpret_cast<T*>(head);
    }
    
    void deallocate(T* p, size_t n) {
        if (n != 1) {
            ::operator delete(p);
            return;
        }
        auto block = reinterpret_cast<Block*>(p);
        block->next = freeList;
        freeList = block;
    }
};

剩下的设计题目， 后续补充

测试用例设计原则：

1. 边界测试（空容器、最大容量）
2. 并发测试（多线程竞争）
3. 性能对比（与标准实现比较）
4. 内存泄漏检测（Valgrind验证）
5. 平台兼容性（不同编译器/架构）