[置顶] 讲述几点对程序进行效率优化的方法

   1.前言

        前几天看了深入理解计算机系统的 程序优化。因为前边两章节涉及到了太多的汇编，而本人不是计算机科班出身，计算机基础薄弱，看那些汇编代码的确很吃力， 打算以后对汇编慢慢来学习吧。毕竟学习不是一日之功。

        看到程序优化这章节，感触颇深啊，平常一些编程细节没有注意，其实都是影响到程序整体性能的因素，通过分析程序底层细节，如何调用等才知道如何影响到了程序。好了，下面根据书中讲解，我来做一些简要的总结。给自己学习到的东西做一下记录吧。

   2. 程序示例

        本节主要讲述我们的系统是如何将我们的代码转换成更有效的代码，其实我们所做的程序，系统都在为我们默默的做程序优化。上一段代码

/* $begin adt */
/* Create abstract data type for vector */
typedef struct {
    long int len;//data数组的长度
    data_t *data;//定义一个数组
/* $end adt */
    int allocated_len; /* NOTE: we don't use this field in the book */
/* $begin adt */ 
} vec_rec, *vec_ptr;
/* $end adt */

data_t是 这样定义的，因为本书可能会分析道不同的数据类型对程序的影响。 tydef int  data _t;可能考虑到使用合并的一些运算特别定义了：

#define INDNT 0

#define OP +

他对向量求和使用声明：

 #define IDENT 1

#define OP *

 


#include <stdlib.h>
#include "combine.h"

/* $begin vec */
/* Create vector of specified length */
vec_ptr new_vec(int len)
{
    /* allocate header structure */
    vec_ptr result = (vec_ptr) malloc(sizeof(vec_rec));
    if (!result)
        return NULL; /* Couldn't allocate storage */
    result->len = len;
/* $end vec */
    /* We don't show this in the book */
    result->allocated_len = len;
/* $begin vec */
    /* Allocate array */
    if (len > 0) {
        data_t *data = (data_t *)calloc(len, sizeof(data_t));
    if (!data) {
        free((void *) result);
         return NULL; /* Couldn't allocate storage */
    }
    result->data = data;
    }
    else
    result->data = NULL;
    return result;
}

/*
 * Retrieve vector element and store at dest.
 * Return 0 (out of bounds) or 1 (successful)
 */
int get_vec_element(vec_ptr v, int index, data_t *dest)
{
    if (index < 0 || index >= v->len)
    return 0;
    *dest = v->data[index];
    return 1;
}

/* Return length of vector */
int vec_length(vec_ptr v)
{
    return v->len;
}
/* $end vec */


/* $begin get_vec_start */
data_t *get_vec_start(vec_ptr v)
{
    return v->data;
}
/* $end get_vec_start */


/*
 * Set vector element.
 * Return 0 (out of bounds) or 1 (successful)
 */
int set_vec_element(vec_ptr v, int index, data_t val)
{
    if (index < 0 || index >= v->len)
    return 0;
    v->data[index] = val;
    return 1;
}


/* Set vector length. If >= allocated length, will reallocate */
void set_vec_length(vec_ptr v, int newlen)
{
    if (newlen > v->allocated_len) {
    free(v->data);
    v->data = calloc(newlen, sizeof(data_t));
    v->allocated_len = newlen;
    }
    v->len = newlen;
}

 

在 合并函数1中


#include "combine.h"

/* Combining functions */

char combine1_descr[] = "combine1: Maximum use of data abstraction";
/* $begin combine1 */
/* Implementation with maximum use of data abstraction */
void combine1(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    int i;

    *dest = IDENT;
    for (i = 0; i < vec_length(v); i++) {
    data_t val;
    get_vec_element(v, i, &val);
    /* $begin combineline */
    *dest = *dest OPER val;
    /* $end combineline */
    }
}
/* $end combine1 */

未经优化的程序一般都是效率比较低的程序。在unix中，可以利用 ‘-O1’ 命令进行简单的优化。

    3.消除循环低效率

     

    上边的代码中，我们可以发现，在寻混内部 for (i = 0; i < vec_length(v); i ++) 中，我们每次循环都会调用vec_length(v)方法，其实求

vec_length(v)对程序是一个比较繁琐的的过程，当函数每次调用计算长度的时候就会产生效率低的问题，那么我们就要进行如下改进

  

void combine2(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    int i;
    int length = vec_length(v);

    *dest = IDENT;
    for (i = 0; i < length; i++) {
    data_t val;
    get_vec_element(v, i, &val);
    *dest = *dest OPER val;
    }
}

这个时候，我们将代码移出了循环内部，我们只进行了一次 int length = vec_length(v); 求值。在书中有效率的比较已经达到了很大级别的提升了性能。

下面再来一个例子，

void lower1(char *s)
{
    int i;

    for (i = 0; i < strlen(s); i++)
    if (s[i] >= 'A' && s[i] <= 'Z')
        s[i] -= ('A' - 'a');
}

/* Convert string to lower case: faster */
void lower2(char *s)
{
    int i;
    int len = strlen(s);

    for (i = 0; i < len; i++)
    if (s[i] >= 'A' && s[i] <= 'Z')
        s[i] -= ('A' - 'a');
}

/* Implementation of library function strlen */
/* Compute length of string */
size_t strlen(const char *s)
{
    int length = 0;
    while (*s != '\0') {
    s++; 
    length++;
    }
    return length;
}

在测试中，当对于个长度为1048576的字符串来说lower2函数只要1.5毫秒，比lower1快乐了500000 多倍。这是一个多么惊人的数字，所以我们要好好分析一下程序。

5.减少过程调用

        像我们看到那样，过程调用会带来相当大的开销，而且妨碍大多数的形式程序优化。，在combin2中，可以看出，每次混换忒带都会调用get_vec_elenment来获取下一个向量元素。对每个向量引用，这个函数把向量索引I与循环边界作比较，很明显会造成效率低下的。

        那么在combine函数中，我们增加一个函数get_vec_start。这个函数返回数组的起始地址。

  

     data_t*  get_vec_start（vect_pt v)
{
        return v->data;
} 
char combine3_descr[] = "combine3: Array reference to vector data";
/* $begin combine3 */
/* Direct access to vector data */
void combine3(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    int i;
    int length = vec_length(v);
    data_t *data = get_vec_start(v);

    *dest = IDENT;
    for (i = 0; i < length; i++) {
    *dest = *dest OPER data[i];
    }
}
/* $end combine3 */

通过测试，提高效率比较小，那是怎么回事呢？请看下边一节。

6.消除不必要的存储器引用

        在这里主要通过汇编代码能看出，程序的不停存储拷贝要是影响到程序的效率。

       消除了无用存储器的读写。

  
  char combine4_descr[] = "combine4: Array reference, accumulate in temporary";
/* $begin combine4 */
/* Accumulate result in local variable */
void combine4(vec_ptr v, data_t *dest)
{
    int i;
    int length = vec_length(v);
    data_t *data = get_vec_start(v);
    data_t x = IDENT;

    for (i = 0; i < length; i++) {
    x = x OPER data[i];
    }
    *dest = x;
}
/* $end combine4 */

通过这个修改，可以看到程序又有了一大步的提升。以上的代码的重构让我对程序的细节调整感受颇深。