C语言：任务分配、二进制运算等性能

Question

我听说C语言的性能有很多方面需要注意：强制转换操作的速度较慢，函数调用也比较慢，二进制操作比普通操作要快得多，等等...

我知道这些东西可能跟硬件平台有关，而且编译器的优化也会产生很大影响，但我希望能够查看一份图表，以了解怎样才能编写高性能程序时应该注意什么，应该避免什么。是否存在这样一份图表（或者网站、书籍、其他资源）？

- Suugaku

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在C语言中，“casting”在运行时是一个零时间操作，它完全发生在编译时。同样，在高级语言中，函数调用的速度比在C语言中快不了多少，基本上只需要“将返回值推送到堆栈上，将0~n个参数推送到堆栈上，执行跳转”。你从哪里获取这些“真相”？因为我建议找另一个来源。:-) 注：文字中的斜体部分是对原文的强调，并非需要翻译的内容。 - T.J. Crowder

强制类型转换慢吗？在C语言中？它甚至在运行时都不存在。 - President James K. Polk

@T.J. 有些强制类型转换是不免费的。例如，将 char 转换为 double。但仍然非常便宜。 - Donal Fellows

@T.J.：仍然……确实如此。而且你是对的，“真相”应该被留在它们被发现的石头下面。 :-) - Donal Fellows

这种思维方式必须被消除。+1 为提供纠正错误信息的机会 :) - Norman Ramsey

在一般情况下，强制类型转换并不完全在编译时完成。强制类型转换是从一种类型到另一种类型的转换，这种转换可能是零成本的（例如，在二进制补码体系结构上将int转换为unsigned int），也可能是廉价的（例如，将signed char符号扩展为int），或者是昂贵的（例如，将float转换为int）。 - caf

Answer 1

基本上，没有这样的“技巧和窍门”书籍从语法层面来说，因为没有确凿的保证你所述的任何内容是正确的（实际上，大多数都是错误的）。

一般来说，性能优化应该更注重算法，其次是内存局部性和缓存优化。最好的工具是分析器（oprofile，valgrind，cachegrind等），其次是对机器体系结构的理解（指令组合是否次优、对齐限制、内存层次结构和大小）以及针对您的CPU的汇编语言（以捕获不太理想的内部循环问题）。

如果您对英特尔架构（以及所有兼容英特尔的CPU）上的微观优化感兴趣，则必须阅读此PDF文档。在Agner的网站上还有更多有趣的指南。

- Yann Ramin

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在优化方面，算法排在第一位是最重要的。即使每个步骤都进行了微观优化，一个糟糕的算法也不会变得更快。 - Anders Abel

Answer 2

我感觉你对这些很困惑。让我们解决一些你提出的谬论。

强制类型转换比普通赋值慢。

这实际上取决于你要进行的强制类型转换。对于不同的地址类型，强制类型转换其实是免费的，因为你只是对同一个值应用了不同的解释。将不同宽度的数值类型进行强制类型转换可能会慢一些（有时隐式地在赋值时完成），但仍然非常快。

函数调用很慢。

不完全正确。虽然函数调用不是免费的，但成本并不高，所以除非你有证据表明他们确实会影响性能，否则不应该避免使用函数调用。永远不要没有充分的理由就进行优化，并且证明优化可以帮助程序的性能（如果反复尝试优化而没有得到我想要的性能平衡，我会撤回此类优化）。

二元运算比普通运算快。

什么是“普通运算”？值得一提的是，加法和乘法都是二元运算。在现代硬件上，它们都非常快，因此应该让编译器自由处理这些运算。更重要的是，正确描述你在做什么。

现在，对于真正消耗性能的问题：

• I/O（输入输出）。
• 内存分配。
• 内存拷贝。
• 深度嵌套（或非常长的）循环。

关注这些问题; 它们通常是软件变慢的地方。并且始终选择好的算法和数据结构。

- Donal Fellows

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非常好的回答。太棒了。虽然堆内存分配与I/O不在同一类别，甚至不接近。堆非常快。不像转换那么快，但很快——当然，直到你的内存不足为止。 :-) - T.J. Crowder

@T.J. I/O是最慢的，通常也是最难摆脱的；你通常会因为某种很好的理由而执行read()操作。堆分配速度更快，但你通常需要进行更多的分配；不要害怕使用堆分配，但它绝对不是免费的。 - Donal Fellows

一个经常不必要地昂贵的领域是字符串处理。糟糕的程序员通常在这个领域编写灾难性的糟糕代码，因为他们没有很好地掌握正在进行的内存复制和循环。 - Donal Fellows

你能解释一下你所说的“内存拷贝”是什么意思吗？是变量赋值吗？是memcpy函数吗？还是将一个值移动到另一个位置？还是以上所有情况都包括在内？ - Aaron H.

@Aaron：所有的都可能被暗示，但大多数分配都是基本类型，所以不是问题。 - Donal Fellows

Answer 3

从前有一本名为“高效C”的书。稍后又出现了一本名为“高效C/C++编程：更小、更快、更好”的书。最近还有一本名为“高效C ++”的书。

所有这些都涵盖了许多似乎你感兴趣的内容。前两者似乎已经绝版，第三本可能也应该如此。要保持正确和有意义，这样的图表可能需要每月更新一次。几乎你想到的任何关于这方面的东西都可能是错误的，并且很少有正确的东西也很快就会变成错误。

例如，您仍然经常看到建议，如果您关心性能，则应避免使用浮点数。曾经，这甚至是合理的-但现在，一些CPU实际上通过将整数转换为浮点数进行整数运算，然后将结果转换回整数！全程使用浮点数可以提高速度。

- Jerry Coffin

Answer 4

基本上，你提到的所有操作都非常非常快。除非你每秒钟要执行数百万次，否则不要过于担心替代方案之间的微小差异。

如果你的程序中有一个时间关键部分运行得太慢，那就对它进行分析，找出具体花费时间的地方，并确定哪些地方需要优化。

- sth

Answer 5

你从哪里听到这些事情的？？在这个领域中所有“病毒式传播”的神话中，这可能是我听过的最惊人的一个。

C语言是最接近机器语言的高级语言。

其他答案都是正确的。

我只想补充一点，在实际软件（而不是小型两页程序）中，过度的通用性、过度抽象化、用大炮打蚊子，是导致性能差的压倒性原因，尽管每个程序员都认为自己的解决方案“简单”。

- Mike Dunlavey

Answer 6

我听说过很多关于C语言性能的事情...

有人给你一些非常奇怪的想法。我特别喜欢“二进制”和“正常”操作之间的区别。我认为对于计算机来说，二进制是正常的。有人需要向我解释这个区别。

我提供下面的图表，帮助你了解如何编写高性能程序。它假定你已经了解了Kernighan和Ritchie的C语言水平，这是关于C语言的经典教材，也是你唯一需要的C语言书籍（尽管其他书籍也有用）。

    Have you read Jon Bentley's book "Programming Pearls"?  --no--> read it
             |
             | yes
             V
    Have you read Peter van der Linden's book 
    "Expert C Programming: Deep C Secrets"?                 --no--> read it
             |
             | yes
             V
    Have you learned how to use valgrind --tool=callgrind
    and the kcachegrind visualizer?                         --no--> learn them
             |
             | yes
             V
    Congratulations!  You are now equipped to write 
    reasonably efficient C programs.

本书中大部分主题，特别是算法，值得在其他地方深入探究。但这张图表将是一个无痛且有趣的入门方式。

- Norman Ramsey