C++循环优化：提升性能的关键技巧

2023-09-26 微信公众号鲨鱼编程

引言：

在C++编程中，循环是一种常见的结构，然而，通常情况下，我们可能会忽视循环中的一些细微的效率问题，这些问题可能会导致大量的时间浪费。本文将介绍一些优化C++循环的技巧，帮助您提升程序的性能。

典型的“未优化”C++循环

我们首先来看一个典型的“未优化”C++循环示例：

int mAIn()
{
  std::vector<uint32_t> vec;

  // 填充向量
  for(int i=0; i<10000000; i++)
  {
    vec.push_back(i);
  }

  // 对向量的值进行1000次求和
  for (int i = 0; i < 1000; i++)
  {
    uint64_t sum = 0;
    for (std::vector<uint32_t>::const_iterator itr = vec.begin();
        itr != vec.end();
        itr++)
    {
      sum += *itr;
    }
    std::cout << sum << std::endl;
  }
}

在没有进行任何优化的情况下，该代码的执行时间为551.97秒。

使用缓存的“end()”迭代器

该优化技巧主要是避免在每次循环迭代时对vec.end()进行查找，而是将其缓存起来，以避免重复查找的开销。代码示例如下：

int main()
{
  std::vector<uint32_t> vec;

  for(int i=0; i<10000000; i++)
  {
    vec.push_back(i);
  }

  for (int i=0; i<1000; i++)
  {
    uint64_t sum = 0;

    // 缓存vec.end()以避免重复查找
    std::vector<uint32_t>::const_iterator itr, end(vec.end()); 
    for (itr = vec.begin();
        itr != end;
        itr++)
    {
      sum += *itr;
    }
    std::cout << sum << std::endl;
  }
}

经过该优化后，代码的执行时间减少至524.81秒，相比未优化版本有了5%的改进。

使用前置递增代替后置递增迭代器

将后置递增(itr++)改为前置递增(++itr)是一种简单的优化方法，它可以显著提高循环的执行效率。代码示例如下：

int main()
{
  std::vector<uint32_t> vec;

  // 使用前置递增代替后置递增
  for(int i=0; i<10000000; ++i)
  {
    vec.push_back(i);
  }

  for (int i=0; i<1000; ++i)
  {
    uint64_t sum = 0;
    std::vector<uint32_t>::const_iterator itr, end(vec.end());

    // 使用前置递增代替后置递增
    for (itr = vec.begin();
        itr != end;
        ++itr)
    {
      sum += *itr;
    }
    std::cout << sum << std::endl;
  }
}

经过这一简单的改变，代码的执行时间减少至323.58秒，相比未优化版本有了38%的改进。

使用std::for_each算法

我们可以使用std::for_each算法来进一步优化循环。std::for_each算法会自动缓存.end()并使用前置递增代替后置递增操作。但需要注意的是，在关闭优化的情况下，编译器无法内联调用Sum和Increment函数，这可能会导致性能下降。代码示例如下：

struct Sum
{
  uint64_t m_sum;

  Sum()
    : m_sum(0)
  {
  }

  void operator()(uint32_t i)
  {
    m_sum += i;
  }
};

struct Increment
{
  int m_value;

  Increment(int i)
    : m_value(i)
  {
  }

  int operator()()
  {
    return m_value++;
  }
};

int main()
{
  std::vector<uint32_t> vec;

  // 使用Increment生成器生成10000000个值
  std::generate_n(back_inserter(vec), 10000000, Increment(0));

  for (int i = 0; i < 1000; ++i)
  {
    uint64_t sum = 0;

    // 使用std::for_each进行循环求和
    std::for_each(vec.begin(), vec.end(), Sum(sum));

    std::cout << sum << std::endl;
  }
}

需要注意的是，这种优化方法在关闭优化的情况下可能会导致效率下降。

结论：

通过对循环进行优化，我们可以显著提升C++程序的性能。关键的优化技巧包括缓存迭代器、使用前置递增代替后置递增以及使用适当的算法（如std::for_each）。然而，在进行优化时，我们需要注意优化对于特定编译器和环境的适用性，以及可能引入的副作用。