C++ 代码性能优化：详解缓存与对齐技巧

前言

在计算机科学中，性能通常是最重要的考虑因素之一。虽然我们写的代码语法正确，逻辑清晰，并且功能正常，但是如果运行速度太慢，那么它可能无法达到预期的效果。C++ 是一种非常流行的编程语言，它完全可以用于开发高性能应用程序。本文将详细介绍一些 C++ 中优化性能的技巧，其中包括缓存与对齐技巧。

缓存

缓存是计算机中提高性能的重要机制之一。简单来说，缓存是一块高速内存，通过将常用的数据复制到缓存中，可以大大减少 CPU 和内存之间的数据访问等待时间，从而提高程序的执行效率。为了了解缓存是如何工作的，请先了解计算机内存的层次结构，如下所示：

  1. 寄存器：这是最快的存储设备，也是最小的存储设备。
  2. 缓存：这是介于寄存器和主存之间的存储设备。缓存可以分为多级，越靠近 CPU 的缓存速度就越快，同时它们的容量也越小。
  3. 主存：这是存储内存数据的地方。主存的速度比寄存器和缓存慢得多，但是它可以存储更多的数据。
  4. 磁盘：这是存储大量数据的设备，但是速度比主存慢得多。因为它们是不可移动的所以它们被用作持久存储。

CPU 每次执行指令时，需要从主存中获取数据。由于主存比寄存器和缓存慢，因此 CPU 等待主存可以大大降低代码的性能。为了提高代码性能，缓存被用来存储经常使用的数据，当 CPU 需要访问这些数据时，缓存可以提供更快的访问速度。

缓存的大小是有限的，因此我们需要使用缓存策略来确定哪些数据将存储在缓存中。下面介绍一些缓存优化的技巧。

缓存友好的数据结构

在 C++ 中，数组和指针通常是最常见的数据结构。但是，它们可能不是缓存友好的。缓存友好的数据结构应该满足以下要求：

  1. 数据应该是紧凑的，没有间隔，这样可以使缓存更加高效。
  2. 数据应该是连续的，这样可以使缓存预测更准确。

例如，以下代码片段定义了一个结构体：

------ --------- -
    --- --
    ---- --
    ---- --
--

在该结构体中，每个元素的大小不同，因此它们之间存在空隙。这意味着无法将该结构体中的所有元素放入一个 CPU 缓存行中。为了避免这种情况，可以对结构体进行重新排序，使其大小相同，同时将对象按照类型分类，如下所示：

------ ------------------------ -
    --- --
    ---- --
    ---- --
--

通过重新排序，该结构体的大小相同，CPU 可以更有效地利用缓存空间。这是一个很好的改进，但是我们可以做得更好。编译器会尝试通过成员对齐来优化结构体存储，这可能会在结构体的边缘添加空隙。有一些编译器可以通过指定 __attribute__((packed)) 来禁用对齐，如下所示：

------ ---------------------------------- -
    --- - ------------------------
    ---- - ------------------------
    ---- - ------------------------
--

这样就确保了结构体的成员被正确地分配在一个连续的内存块中。但是，这样做可能会增加访问时的成本，而且这样的做法也不符合 C++ 标准。

空间局部性

为了更好地利用缓存，我们还应该注意空间局部性。空间局部性指的是在我们访问某个内存位置时，我们通常会接下来访问相邻的内存位置。因此，如果我们能够将最常用的数据放在连续位置，就可以提高 CPU 的缓存利用率。

例如，以下代码片段计算一个矩阵中所有元素的总和：

------ --- - ----
--- ---- - - -- - - ----- ---- -
    --- ---- - - -- - - ----- ---- -
        --- -- -------------
    -
-

该代码串行访问了矩阵中的每个元素，它具有很好的空间局部性。对于每个元素，它的下一个元素都在相邻的内存位置。

时间局部性

尽管空间局部性可以优化缓存性能，但是时间局部性也很重要。时间局部性指的是在我们访问某个内存位置时，我们通常会在未来的一段时间内再次访问该位置。这就是为什么缓存可以加速重复访问相同的数据的原因。所以，为了获得最好的性能，我们应该根据数据使用的频率将它们排序。

例如，以下代码片段使用选择排序算法对数组进行排序：

--- ---- - - -- - - - - -- ---- -
    --- ---- - - - - -- - - -- ---- -
        -- --------- - --------- -
            ------------------- ----------
        -
    -
-

由于选择排序算法对数组中的每个元素执行了多次访问，因此它具有很好的时间局部性。

对齐

在计算机中，数据类型必须按照特定的方式对齐，这样 CPU 才能够有效地访问它们。如果数据类型没有正确地对齐，那么 CPU 可能需要额外的操作才能读取数据，这将增加代码的运行时间。

在 C++ 中，可以使用 alignas 关键字来对齐数据类型。例如，以下代码将结构体对齐到 64 字节的边界：

------ --------- -
    --- --
    ---- --
    ---- --
- ------------

请注意，某些编译器可能需要使用特定的选项才能支持 alignas 关键字。

总结

优化 C++ 代码的性能是非常重要的，缓存和对齐技巧是这项工作的关键。在本文中，我们介绍了缓存和对齐的基本概念，并提出了一些优化技巧。虽然这些技巧并不一定适用于所有的代码，但是了解它们可以帮助我们编写更高效的代码，并提高我们的性能要求。

来源：JavaScript中文网 ，转载请联系管理员！ 本文地址：https://www.javascriptcn.com/post/64f2d1cef6b2d6eab3c64258

阅读全文

猜你喜欢

  • GraphQL：用 Connection 优化节点查询

    前言 GraphQL 是一种由 Facebook 开发的数据查询和操作语言，它提供了一种更高效、更灵活的方式来获取和操作数据。GraphQL 的一个重要特性就是可以精确地指定需要查询的数据，避免了传统...

    2 个月前
  • Server-sent Events 的浏览器支持情况及解决方法

    什么是 Server-sent Events？ Server-sent Events（简称 SSE）是一种基于 HTTP 的服务器推送技术，它可以让服务器向客户端发送事件流，客户端通过监听这个事件流来...

    2 个月前
  • ECMAScript 2020（ES11）中的新特性：BigInt 转换

    在 ECMAScript 2020（ES11）中，新增了一种数据类型：BigInt。它是一种可以表示任意大整数的数据类型，可以用来解决 JavaScript 中整数运算的精度问题。

    2 个月前
  • CSS Reset 在 IE6、IE7 等老浏览器中的应用

    什么是 CSS Reset CSS Reset 是一种通过重置浏览器默认样式的方式，消除不同浏览器之间的差异，从而实现更加一致的样式效果的技术手段。在前端开发中，使用 CSS Reset 可以让我们更...

    2 个月前
  • ES6 中的类继承和原型链之间的关系解析

    在 ES6 中，引入了 class 关键字，使得 JavaScript 也具备了面向对象编程的能力。在类继承和原型链之间，有着密切的关系。本文将详细解析 ES6 中的类继承和原型链之间的关系，并提供一...

    2 个月前
  • 如何使用 Redux 处理 React 应用中的表单数据

    前言 在开发 React 应用时，表单数据的处理是非常常见的需求。然而，由于 React 的单向数据流和组件化特性，传统的表单处理方式可能会变得非常繁琐。而 Redux 作为一种状态管理工具，可以帮助...

    2 个月前
  • Redis 处理高并发的策略

    前言 随着互联网的发展，高并发已经成为了一个不可避免的问题。而 Redis 作为一款高性能的 NoSQL 数据库，也成为了处理高并发的重要工具之一。本文将会介绍 Redis 处理高并发的策略，并且会提...

    2 个月前
  • 响应式设计中的图片适配问题解决方案

    在响应式设计中，图片适配是一个比较棘手的问题。如果不加以处理，可能会导致图片在不同设备上显示不佳，影响用户体验。本文将介绍响应式设计中的图片适配问题，并提供解决方案。

    2 个月前
  • 解析 TypeScript 中 encapsulation（封装）的实现方式

    解析 TypeScript 中 encapsulation（封装）的实现方式 在 TypeScript 中，封装（encapsulation）是一种重要的面向对象编程的特性。

    2 个月前
  • PM2 崩溃处理：如何避免由于 PM2 进程奔溃导致应用崩溃？

    在前端开发中，我们经常使用 PM2 进行进程管理和部署。但是，当 PM2 进程崩溃时，应用也会跟着崩溃。如何避免这种情况的发生？本文将介绍 PM2 崩溃处理的方法和技巧，帮助您更好地管理和部署应用。

    2 个月前
  • 在 Node.js 中运行 HTTPS 服务器的方法

    Node.js 是一个非常流行的 JavaScript 运行时环境，它可以让我们通过 JavaScript 编写服务器端应用程序。在开发 Web 应用程序时，安全性是非常重要的。

    2 个月前
  • 详解 ECMAScript 2018 中的三个新操作符及其用法

    ECMAScript 2018 (简称 ES2018) 是 JavaScript 语言的最新标准，其中包含了许多新特性和语法糖。本文将详细介绍其中的三个新操作符及其用法，分别是：扩展运算符、剩余运算符...

    2 个月前
  • 解决 Enzyme 测试 React Native 组件时动画无法渲染的问题

    在开发 React Native 应用时，我们经常需要使用 Enzyme 来测试组件。然而，当我们测试涉及到动画的组件时，我们可能会遇到一些问题：动画无法渲染，导致测试失败。

    2 个月前
  • 使用 React Router 打造复杂而强大的 SPA 应用

    随着 Web 技术的不断发展，单页应用（Single Page Application，SPA）已经成为了现代 Web 应用的主流。SPA 通过异步加载数据和动态更新页面，提供了更快速、更流畅的用户体...

    2 个月前
  • AngularJS 中如何使用 ng-repeat 中的 filter 来过滤数据

    在 AngularJS 中，ng-repeat 指令是用于循环遍历数组或对象并生成 HTML 元素的常用指令。而 ng-repeat 指令中的 filter 属性则是用于过滤数据的功能。

    2 个月前
  • 如何在 Chai 中验证 Promise.all

    如何在 Chai 中验证 Promise.all 在前端开发中，Promise.all 是一个非常常用的功能，它可以让我们在多个异步操作完成后再执行一些操作，这个功能在实际开发中非常实用。

    2 个月前
  • Mongoose 实现数据批量更新的方式详解

    前言 在前端开发中，经常会涉及到对数据库中的数据进行批量更新的操作。而 Mongoose 是一款 Node.js 平台下的 MongoDB 对象模型工具，它提供了一种方便的方式来操作 MongoDB ...

    2 个月前
  • 在使用 lit-element 的时候，如何解决麻烦的 Shadow DOM 的变量传递问题

    前言 在使用 Web Components 的时候，我们通常会使用 Shadow DOM 来实现封装和样式隔离。然而，Shadow DOM 的封闭性也带来了一些挑战，其中之一就是变量传递问题。

    2 个月前
  • Tailwind CSS 如何实现动态换肤？

    随着互联网的发展，越来越多的网站和应用开始支持动态换肤功能。动态换肤不仅可以提升用户体验，还可以让用户在不同的环境下选择适合自己的主题，增加用户黏性和满意度。本文将介绍如何使用 Tailwind CS...

    2 个月前
  • 如何在 Less 中使用字符串操作函数？

    在前端开发中，样式表是不可或缺的一部分。而 Less 是一种动态样式语言，它是 CSS 的一种扩展。在 Less 中，我们可以使用字符串操作函数来处理字符串，这些函数可以帮助我们更加方便地操作字符串，...

    2 个月前

相关推荐