C语言程序优化方法

C语言程序优化方法

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        作为一个忠实的C语言程序员，经常要因为各种需要优化程序，比如：内存限制、CPU限制、网络限制、磁盘空间限制等。最近在优化公司的程序，顺便将一些优化心得总结出来和大家分享。

一、GCC自带的优化选项

        gcc 作为一款著名的C编译器，自带了一些优化选项。在gcc参数里加上-On （n为0、1、2、3、s）就可以开启gcc的优化选项。

        1、-O0

        -O0是gcc的默认选项，意思是不做任何优化。这个选项一般用不到，只有一种情况下：我们不希望gcc做任何优化的时候（比如我们的程序用于调试，需要保留调试信息），加上该选项关闭gcc的优化。

      2、-O1

        -O1允许gcc从运行效率和程序大小上做少量优化，不进行比较耗编译时间的优化。当程序源码比较多需要用很长时间来编译时，如果程序对优化要求不高，可以用该选项。该选项不会展开循环和内联函数。

      3、-O2

        -O2允许gcc进行比-O1选项更深一步的优化，进一步减少程序运行效率，但会增加编译时间。对程序运行效率以及大小都有严格要求的可以使用该选项。该选项是推荐选项。

      4、-O3

        -O3选项会打开所有-O2支持的选项，但-O3更注重优化运行效率，所以该选项会打开-finline-functions，-funswitch-loops以及-fgcse-after-reload 选项，将内联函数和循环展开，程序大小会有所增加。但该选项可能会因为循环的展开而导致一些问题，并不推荐对所有程序使用该选项。

测试结果：https://wiki.edubuntu.org/GccOptimizationTests

     5、-Os

        -Os选项是在-O2的基础上对程序大小的进一步优化，主要是关闭了-O2中的数据对齐。按理说速度会比-O2慢，但某些情况下速度却比使用-O2快（内存读写速度成为瓶颈时），比如：程序涉及到大量的内存读写，内存对齐后会增加数据量导致运行时间增加。所以，当数据量比较大时，推荐使用该选项。该选项除了取消数据对齐外，还会将部分函数合并为一个函数（比如该函数是个static函数而且只被调用了一次或者函数功能非常简单），会去掉没有被调用到的函数，甚至会去掉一些即使被调用了但基本没啥用的函数。通过对编译结果反汇编我们可以看到区别。

二、register关键字

        register关键字的作用是定义一个寄存器变量，对该变量的操作实际上是直接操作了某个寄存器。要注意的是需要有足够的寄存器，如果寄存器不够用了，或者被修饰的变量所占比特数大于CPU的位数时，register关键字将失效。那么register关键字将不起作用。register关键字一般用于修饰局部变量，因为局部变量通常要经过压栈的操作，每次对局部变量的操作都涉及到对内存的操作。使用register关键字后，省去了压栈的操作，节省了操作内存的时间。当函数需要频繁操作内存时，使用register关键字将会节省大量的时间。在优化公司的程序的过程中，通过测试发现使用register关键字可以将一个函数的效率提高至少4倍。

三、内联函数（inline 关键字）

        普通函数在函数调用时会设计到参数、函数地址的压栈、出栈操作，入栈、出栈操作就是对内存的操作。如果能减少对内存的操作，程序的效率会有所提升。减少压栈、出栈操作可以通过使用宏或者内联函数，但有时候我们需要将函数的参数限定为某一类型，所以我们会需要检测参数的类型，而宏有时候会有副作用（典型的例子是MAX宏的参数里使用了i++之类的），所以这个时候宏就不大适合了，那么我们就需要用内联函数。在static（如果有的话）和函数定义之间加入inline关键字则是定义了一个内联函数，内联函数需要配合gcc编译器的-finline-functions选项，否则编译器不会对内联函数进行展开。

四、减少条件判断带来的开销

        CPU会对条件判断进行预测，如果预测失败，则会带来额外的开销。对于条件与，我们要将判假概率高的条件放在前面；对于条件或，我们要将判真概率高的条件放前面。另外，我们要将执行概率高的分支放到第一个分支的位置。在做这些之前，我们需要对我们写的程序有充分的了解，能够人为预测到大概的概率，也可以通过多次的测试来发现程序的运行规律。另外，如果知道条件是取固定的几个值，最好是选用switch...case而不是if...else。在循环中，最好是将循环因子和 0 比较。

五、手动展开循环

        循环中对循环因子的操作（自增、自减、比较）都需要花费一定的时间，减少循环次数可以提高程序的运行效率。当我们害怕编译器的自动展开带来的副作用时，我们可以手动展开循环。循环的展开一般适用于循环体比较简单的情况，若循环体本身就比较复杂，展开会降低代码的可读性。

六、减少内存的分配-释放次数

       动态内存的分配开销比较大，特别是内存碎片比较多的时候。因为动态分配内存时系统需要遍历内存链表，如果分配的次数比较多，会浪费很多时间。假如程序中分配内存的次数比较多，而且内存大小相差不大，可以将用完的内存用自己实现的栈管理起来，下次分配的时候直接从栈里获取内存地址。也就是说：释放内存的时候不马上释放，而是将内存地址压入栈中，如果超过栈空间，则释放内存；下次分配内存的时候直接从栈里获取内存地址。

七、更细粒度的加锁

      在多线程编程时，难免会需要对某些资源的操作进行加锁。加锁时要注意这几点：1）不要在加锁后进行睡眠、阻塞等操作。2）不要对整个循环体加锁。3）当锁的时间比较长，使用互斥锁，锁的时间比较短时用自旋锁。合理使用锁，可以提高多线程效率，反之无法体现多线程的优点。

（未完待续）