一. 優(yōu)化之前
在進行優(yōu)化之前，我們首先應該做的是發(fā)現(xiàn)我們代碼的瓶頸（bottleneck）在哪里。然而當你做這件事情的時候切忌從一個debug-version進行推斷，因為debug-version中包含了許多額外的代碼。一個debug-version可執(zhí)行體要比release-version大出40%。那些額外的代碼都是用來支持調(diào)試的，比如說符號的查找。大多數(shù)實現(xiàn)都為debug-version和release-version提供了不同的operator new以及庫函數(shù)。而且，一個release-version的執(zhí)行體可能已經(jīng)通過多種途徑進行了優(yōu)化，包括不必要的臨時對象的消除，循環(huán)展開，把對象移入寄存器，內(nèi)聯(lián)等等。
另外，我們要把調(diào)試和優(yōu)化區(qū)分開來，它們是在完成不同的任務。 debug-version 是用來追捕bugs以及檢查程序是否有邏輯上的問題。release-version則是用來做一些性能上的調(diào)整以及進行優(yōu)化。
下面就讓我們來看看有哪些代碼優(yōu)化技術吧：
二. 聲明的放置
程序中變量和對象的聲明放在什么位置將會對性能產(chǎn)生顯著影響。同樣，對postfix和prefix運算符的選擇也會影響性能。這一部分我們集中討論四個問題：初始化v.s 賦值，在程序確實要使用的地方放置聲明，構造函數(shù)的初始化列表，prefix v.s postfix運算符。
（1） 請使用初始化而不是賦值
在C語言中只允許在一個函數(shù)體的開頭進行變量的聲明，然而在C++中聲明可以出現(xiàn)在程序的任何位置。這樣做的目的是希望把對象的聲明拖延到確實要使用它的時候再進行。這樣做可以有兩個好處：1. 確保了對象在它被使用前不會被程序的其他部分惡意修改。如果對象在開頭就被聲明然而卻在20行以后才被使用的話，就不能做這樣的保證。2. 使我們有機會通過用初始化取代賦值來達到性能的提升，從前聲明只能放在開頭，然而往往開始的時候我們還沒有獲得我們想要的值，因此初始化所帶來的好處就無法被應用。但是現(xiàn)在我們可以在我們獲得了想要的值的時候直接進行初始化，從而省去了一步。注意，或許對于基本類型來說，初始化和賦值之間可能不會有什么差異，但是對于用戶定義的類型來說，二者就會帶來顯著的不同，因為賦值會多進行一次函數(shù)調(diào)用----operator =。因此當我們在賦值和初始化之間進行選擇的話，初始化應該是我們的首選。
（2） 把聲明放在合適的位置上
在一些場合，通過移動聲明到合適的位置所帶來的性能提升應該引起我們足夠的重視。例如：
bool is_C_Needed();
void use()
{
C c1;
if (is_C_Needed() == false)
{
return; //c1 was not needed
}
//use c1 here
return;
}
上面這段代碼中對象c1即使在有可能不使用它的情況下也會被創(chuàng)建，這樣我們就會為它付出不必要的花費，有可能你會說一個對象c1能浪費多少時間，但是如果是這種情況呢：C c1[1000];我想就不是說浪費就浪費了。但是我們可以通過移動聲明c1的位置來改變這種情況：
void use()
{
if (is_C_Needed() == false)
{
return; //c1 was not needed
}
C c1; //moved from the block's beginning
//use c1 here
return;
}
怎么樣，程序的性能是不是已經(jīng)得到很大的改善了呢？因此請仔細分析你的代碼，把聲明放在合適的位置上，它所帶來的好處是你難以想象的。
（3） 初始化列表
我們都知道，初始化列表一般是用來初始化const或者reference數(shù)據(jù)成員。但是由于他自身的性質(zhì)，我們可以通過使用初始化列表來實現(xiàn)性能的提升。我們先來看一段程序：
class Person
{
private:
C c_1;
C c_2;
public:
Person(const C& c1, const C& c2 ): c_1(c1), c_2(c2) {}
};
當然構造函數(shù)我們也可以這樣寫：
Person::Person(const C& c1, const C& c2)
{
c_1 = c1;
c_2 = c2;
}
那么究竟二者會帶來什么樣的性能差異呢，要想搞清楚這個問題，我們首先要搞清楚二者是如何執(zhí)行的，先來看初始化列表：數(shù)據(jù)成員的聲明操作都是在構造函數(shù)執(zhí)行之前就完成了，在構造函數(shù)中往往完成的只是賦值操作，然而初始化列表直接是在數(shù)據(jù)成員聲明的時候就進行了初始化，因此它只執(zhí)行了一次copy constructor。再來看在構造函數(shù)中賦值的情況：首先，在構造函數(shù)執(zhí)行前會通過default constructor創(chuàng)建數(shù)據(jù)成員，然后在構造函數(shù)中通過operator =進行賦值。因此它就比初始化列表多進行了一次函數(shù)調(diào)用。性能差異就出來了。但是請注意，如果你的數(shù)據(jù)成員都是基本類型的話，那么為了程序的可讀性就不要使用初始化列表了，因為編譯器對兩者產(chǎn)生的匯編代碼是相同的。
（4） postfix VS prefix 運算符
prefix運算符++和—比它的postfix版本效率更高，因為當postfix運算符被使用的時候，會需要一個臨時對象來保存改變以前的值。對于基本類型，編譯器會消除這一份額外的拷貝，但是對于用戶定義類型，這似乎是不可能的。因此請你盡可能使用prefix運算符。
三. 內(nèi)聯(lián)函數(shù)
內(nèi)聯(lián)函數(shù)既能夠去除函數(shù)調(diào)用所帶來的效率負擔又能夠保留一般函數(shù)的優(yōu)點。然而，內(nèi)聯(lián)函數(shù)并不是萬能藥，在一些情況下，它甚至能夠降低程序的性能。因此在使用的時候應該慎重。
1．我們先來看看內(nèi)聯(lián)函數(shù)給我們帶來的好處：從一個用戶的角度來看，內(nèi)聯(lián)函數(shù)看起來和普通函數(shù)一樣，它可以有參數(shù)和返回值，也可以有自己的作用域，然而它卻不會引入一般函數(shù)調(diào)用所帶來的負擔。另外，它可以比宏更安全更容易調(diào)試。
當然有一點應該意識到，inline specifier僅僅是對編譯器的建議，編譯器有權利忽略這個建議。那么編譯器是如何決定函數(shù)內(nèi)聯(lián)與否呢？一般情況下關鍵性因素包括函數(shù)體的大小，是否有局部對象被聲明，函數(shù)的復雜性等等。
2．那么如果一個函數(shù)被聲明為inline但是卻沒有被內(nèi)聯(lián)將會發(fā)生什么呢？理論上，當編譯器拒絕內(nèi)聯(lián)一個函數(shù)的時候，那個函數(shù)會像普通函數(shù)一樣被對待，但是還會出現(xiàn)一些其他的問題。例如下面這段代碼：
// filename Time.h
#include<ctime>
#include<iostream>
using namespace std;
class Time
{
public:
inline void Show() { for (int i = 0; i<10; i++) cout<<time(0)<<endl;}
};
因為成員函數(shù)Time::Show()包括一個局部變量和一個for循環(huán)，所以編譯器一般拒絕inline，并且把它當作一個普通的成員函數(shù)。但是這個包含類聲明的頭文件會被單獨的#include進各個獨立的編譯單元中：
// filename f1.cpp
#include "Time.hj"
void f1()
{
Time t1;
t1.Show();
}
// filename f2.cpp
#include "Time.h"
void f2()
{
Time t2;
t2.Show();
}
結(jié)果編譯器為這個程序生成了兩個相同成員函數(shù)的拷貝：
void f1();
void f2();
int main()
{
f1();
f2();
return 0;
}
當程序被鏈接的時候，linker將會面對兩個相同的Time::Show()拷貝，于是函數(shù)重定義的連接錯誤發(fā)生。但是老一些的C++實現(xiàn)對付這種情況的辦法是通過把一個un-inlined函數(shù)當作static來處理。因此每一份函數(shù)拷貝僅僅在自己的編譯單元中可見，這樣鏈接錯誤就解決了，但是在程序中卻會留下多份函數(shù)拷貝。在這種情況下，程序的性能不但沒有提升，反而增加了編譯和鏈接時間以及最終可執(zhí)行體的大小。
但是幸運的是，新的C++標準中關于un-inlined函數(shù)的說法已經(jīng)改變。一個符合標準C++實現(xiàn)應該只生成一份函數(shù)拷貝。然而，要想所有的編譯器都支持這一點可能還需要很長時間。
另外關于內(nèi)聯(lián)函數(shù)還有兩個更令人頭疼的問題。第一個問題是該如何進行維護。一個函數(shù)開始的時候可能以內(nèi)聯(lián)的形式出現(xiàn)，但是隨著系統(tǒng)的擴展，函數(shù)體可能要求添加額外的功能，結(jié)果內(nèi)聯(lián)函數(shù)就變得不太可能，因此需要把inline specifier去除以及把函數(shù)體放到一個單獨的源文件中。另一個問題是當內(nèi)聯(lián)函數(shù)被應用在代碼庫的時候產(chǎn)生。當內(nèi)聯(lián)函數(shù)改變的時候，用戶必須重新編譯他們的代碼以反映這種改變。然而對于一個非內(nèi)聯(lián)函數(shù)，用戶僅僅需要重新鏈接就可以了。
這里想要說的是，內(nèi)聯(lián)函數(shù)并不是一個增強性能的靈丹妙藥。只有當函數(shù)非常短小的時候它才能得到我們想要的效果，但是如果函數(shù)并不是很短而且在很多地方都被調(diào)用的話，那么將會使得可執(zhí)行體的體積增大。最令人煩惱的還是當編譯器拒絕內(nèi)聯(lián)的時候。在老的實現(xiàn)中，結(jié)果很不盡人意，雖然在新的實現(xiàn)中有很大的改善，但是仍然還是不那么完善的。一些編譯器能夠足夠的聰明來指出哪些函數(shù)可以內(nèi)聯(lián)哪些不能，但是，大多數(shù)編譯器就不那么聰明了，因此這就需要我們的經(jīng)驗來判斷。如果內(nèi)聯(lián)函數(shù)不能增強行能，就避免使用它！
四. 優(yōu)化你的內(nèi)存使用
通常優(yōu)化都有幾個方面：更快的運行速度，有效的系統(tǒng)資源使用，更小的內(nèi)存使用。一般情況下，代碼優(yōu)化都是試圖在以上各個方面進行改善。重新放置聲明技術被證明是消除多余對象的建立和銷毀，這樣既減小了程序的大小又加快了運行速度。然而其他的優(yōu)化技術都是基于一個方面------更快的速度或者是更小的內(nèi)存使用。有時，這些目標是互斥的，壓縮了內(nèi)存的使用往往卻減慢了代碼速度，快速的代碼卻又需要更多的內(nèi)存支持。下面總結(jié)兩種在內(nèi)存使用上的優(yōu)化方法：
1． Bit Fields
在C/C++中都可以存取和訪問數(shù)據(jù)的最小組成單元：bit。因為bit并不是C/C++基本的存取單元，所以這里是通過犧牲運行速度來減少內(nèi)存和輔助存儲器的空間的使用。注意：一些硬件結(jié)構可能提供了特殊的處理器指令來存取bit，因此bit fields是否影響程序的速度取決于具體平臺。
在我們的現(xiàn)實生活中，一個數(shù)據(jù)的許多位都被浪費了，因為某些應用根本就不會有那么大的數(shù)據(jù)范圍。也許你會說，bit是如此之小，通過它就能減小存儲空間的使用嗎？的確，在數(shù)據(jù)量很小的情況下不會看出什么效果，但是在數(shù)據(jù)量驚人的情況下，它所節(jié)省的空間還是能夠讓我們的眼睛為之一亮的。也許你又會說，現(xiàn)在內(nèi)存和硬盤越來越便宜，何苦要費半天勁，這省不了幾個錢。但是還有另外一個原因一定會使你信服，那就是數(shù)字信息傳輸。一個分布式數(shù)據(jù)庫都會在不同的地點有多份拷貝。那么數(shù)百萬的紀錄傳輸就會顯得十分昂貴。Ok，現(xiàn)在我們就來看看該如何做吧，首先看下面這段代碼：
struct BillingRec
{
long cust_id;
long timestamp;
enum CallType
{
toll_free,
local,
regional,
long_distance,
international,
cellular
} type;
enum CallTariff
{
off_peak,
medium_rate,
peak_time
} tariff;
};
上面這個結(jié)構體在32位的機器上將會占用16字節(jié)，你會發(fā)現(xiàn)其中有許多位都被浪費了，尤其是那兩個enum型，浪費更是嚴重，所以請看下面做出的改進：
struct BillingRec
{
int cust_id: 24; // 23 bits + 1 sign bit
int timestamp: 24;
enum CallType
{//...
};
enum CallTariff
{//...
};
unsigned call: 3;
unsigned tariff: 2;
};
現(xiàn)在一個數(shù)據(jù)從16字節(jié)縮減到了8字節(jié)，減少了一半，怎么樣，效果還是顯著的吧：）
2． Unions
Unions通過把兩個或更多的數(shù)據(jù)成員放置在相同地址的內(nèi)存中來減少內(nèi)存浪費，這就要求在任何時間只能有一個數(shù)據(jù)成員有效。Union 可以有成員函數(shù)，包括構造函數(shù)和析構函數(shù)，但是它不能有虛函數(shù)。C++支持anonymous unions。anonymous union是一個未命名類型的未命名對象。例如：
union { long n; void * p}; // anonymous
n = 1000L; // members are directly accessed
p = 0; // n is now also 0
不像命名的union，它不能有成員函數(shù)以及非public的數(shù)據(jù)成員。
那么unions什么時候是有用的呢？下面這個類從數(shù)據(jù)庫中獲取一個人的信息。關鍵字既可以是一個特有的ID或者人名，但是二者卻不能同時有效：
class PersonalDetails
{
private:
char * name;
long ID;
//...
public:
PersonalDetails(const char *nm); //key is of type char * used
PersonalDetails(long id) : ID(id) {} //numeric key used
};
上面這段代碼中就會造成內(nèi)存的浪費，因為在一個時間只能有一個關鍵字有效。anonymous union可以在這里使用來減少內(nèi)存的使用，例如：
class PersonalDetails
{
private:
union //anonymous
{
char * name;
long ID;
};
public:
PersonalDetails(const char *nm);
PersonalDetails(long id) : ID(id) {/**/} // direct access to a member
//...
};
通過使用union，PersonalDetails類的大小被減半。但是這里要說明的是，節(jié)省4 個字節(jié)內(nèi)存并不值得引入union所帶來的麻煩，除非這個類作為數(shù)百萬數(shù)據(jù)庫記錄的類型或者紀錄在一條很慢的通信線路傳輸。值得注意的是unions并不引入任何運行期負擔，所以這里不會有什么速度上的損失。anonymous union的優(yōu)點就是它的成員可以被直接訪問。
五. 速度優(yōu)化
在一些對速度要求非常苛刻的應用系統(tǒng)中，每一個CPU周期都是要爭取的。這個部分展現(xiàn)了一些簡單方法來進行速度優(yōu)化。
1． 使用類來包裹長的參數(shù)列表
一個函數(shù)調(diào)用的負擔將會隨著參數(shù)列表的增長而增加。運行時系統(tǒng)不得不建立堆棧來存儲參數(shù)值；通常，當參數(shù)很多的時候，這樣一個操作就會花費很長的時間。
把參數(shù)列表包裹進一個單獨的類中并且通過引用進行傳遞，這樣將會節(jié)省很多的時間。當然，如果函數(shù)本身就很長，那么建立堆棧的時間就可以忽略了，因此也就沒有必要這樣做。然而，對于那些執(zhí)行時間很短而且經(jīng)常被調(diào)用的函數(shù)來說，包裹一個長的參數(shù)列表在對象中并且通過引用傳遞將會提高性能。
2． 寄存器變量
register specifier被用來告訴編譯器一個對象將被會非常多的使用，可以把它放入寄存器中。例如：
void f()
{
int *p = new int[3000000];
register int *p2 = p; //store the address in a register
for (register int j = 0; j<3000000; j++)
{
*p2++ = 0;
}
//...use p
delete [] p;
}
循環(huán)計數(shù)是應用寄存器變量的最好的候選者。當它們沒有被存入一個寄存器中，大部分的循環(huán)時間都被用在了從內(nèi)存中取出變量和給變量賦新值上。如果把它存入一個寄存器中的話，將會大大減少這種負擔。需要注意的是，register specifier僅僅是對編譯器的一個建議。就好比內(nèi)聯(lián)函數(shù)一樣，編譯器可以拒絕把一個對象存儲到寄存器中。另外，現(xiàn)代的編譯器都會通過把變量放入寄存器中來優(yōu)化循環(huán)計數(shù)。Register storage specifier并不僅僅局限在基本類型上，它能夠被應用于任何類型的對象。如果對象太大而不能裝進寄存器的話，編譯器仍然能夠把它放入一個高速存儲器中，例如cache。
用register storage specifier聲明函數(shù)型參將會是建議編譯器把實參存入寄存器中而不是堆棧中。例如：
void f(register int j, register Date d);
3． 把那些保持不變的對象聲明為const
通過把對象聲明為const，編譯器就可以利用這個聲明把這樣一個對象放入寄存器中。
4． Virtual function的運行期負擔
當調(diào)用一個virtual function，如果編譯器能夠解決調(diào)用的靜態(tài)化，將不會引入額外的負擔。另外，一個非常短的虛函數(shù)可以被內(nèi)聯(lián)處理。在下面這個例子中，一個聰明的編譯器能夠做到靜態(tài)調(diào)用虛函數(shù)：
#include <iostream>
using namespace std;
class V
{
public:
virtual void show() const { cout<<"I'm V"<<endl; }
};
class W : public V
{
public:
void show() const { cout<<"I'm W"<<endl; }
};
void f(V & v, V *pV)
{
v.show();
pV->show();
}
void g()
{
V v;
f(v, &v);
}
int main()
{
g();
return 0;
}
如果整個程序出現(xiàn)在一個單獨的編譯單元中，編譯器能夠?qū)ain()中的g()進行內(nèi)聯(lián)替換。并且在g()中f()的調(diào)用也能夠被內(nèi)聯(lián)處理。因為傳給f()的參數(shù)的動態(tài)類型能夠在編譯期被知曉，因此編譯器能夠把對虛函數(shù)的調(diào)用靜態(tài)化。但是不能保證每個編譯器都這樣做。然而，一些編譯器確實能夠利用在編譯期獲得參數(shù)的動態(tài)類型從而使得函數(shù)的調(diào)用在編譯期間就確定了下來，避免了動態(tài)綁定的負擔。
5． Function objects VS function pointers
用function objects取代function pointers的好處不僅僅局限在能夠泛化和簡單的維護性上。而且編譯器能夠?qū)unction object的函數(shù)調(diào)用進行內(nèi)聯(lián)處理，從而進一步的增強了性能
六. 最后的求助
迄今為止為大家展示的優(yōu)化技術并沒有在設計以及代碼的可讀性上做出妥協(xié)。事實上，它們中的一些還提高了軟件的穩(wěn)固性和可維護性。但是在一些對時間和內(nèi)存有嚴格限制的軟件開發(fā)中，上面的技術可能還不夠；有可能還需要一些會影響軟件的可移植性和擴展性的技術。但是這些技術只能在所有其他的優(yōu)化技術都被應用但是還不符合要求的情況下使用。
1． 關閉RTTI和異常處理支持
當你導入純C代碼給C++編譯器的時候，你可能會發(fā)現(xiàn)有一些性能上的損失。這并不是語言或者編譯器的錯誤，而是編譯器作出的一些調(diào)整。如果你想獲得和C編譯器同樣的性能，那么請關閉編譯器對RTTI以及異常處理的支持。為什么會這樣呢？因為為了支持RTTI和異常處理，C++編譯器會插入額外的代碼。這樣就增加了可執(zhí)行體的大小，從而使得效率有所下降。當應用純C代碼的時候，那些額外的代碼是不需要的，所以你可以通過關閉來避免它。
2． 內(nèi)聯(lián)匯編
對時間要求苛刻的部分可以用本地匯編來重寫。結(jié)果可能是速度上的顯著提高。然而，這個方法不能想當然的就去實施，因為它將使得將來的修改非常的困難。維護代碼的程序員可能對匯編并不了解。如果想要把軟件運行于其他平臺也需要重寫匯編代碼部分。另外，開發(fā)和測試匯編代碼是一件辛苦的工作，它將花費更長的時間。
3． 直接和操作系統(tǒng)進行交互
API函數(shù)可以使你直接與操作系統(tǒng)進行交互。有時，直接執(zhí)行一個系統(tǒng)命令可能會快許多。出于這個目的，你可以使用標準函數(shù)system()。例如，在一個dos/windows系統(tǒng)下，你可以這樣顯示當前目錄下的文件：
#include <cstdlib>
using namespace std;
int main()
{
system("dir"); //execute the "dir" command
}
注意：這里是在速度和可移植性以及可擴展性之間做出的折衷。