C++循環優化：提升性能的關鍵技巧

作者：鯊魚編程 2023-09-26 12:02:34

本文將介紹一些優化C++循環的技巧，幫助您提升程序的性能。關鍵的優化技巧包括緩存迭代器、使用前置遞增代替后置遞增以及使用適當的算法。

在C++編程中，循環是一種常見的結構，然而，通常情況下，我們可能會忽視循環中的一些細微的效率問題，這些問題可能會導致大量的時間浪費。本文將介紹一些優化C++循環的技巧，幫助您提升程序的性能。

典型的“未優化”C++循環

我們首先來看一個典型的“未優化”C++循環示例：

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

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

  // 對向量的值進行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;
  }
}

在沒有進行任何優化的情況下，該代碼的執行時間為551.97秒。

使用緩存的“end()”迭代器

該優化技巧主要是避免在每次循環迭代時對vec.end()進行查找，而是將其緩存起來，以避免重復查找的開銷。代碼示例如下：

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;

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

經過該優化后，代碼的執行時間減少至524.81秒，相比未優化版本有了5%的改進。

使用前置遞增代替后置遞增迭代器

將后置遞增(itr++)改為前置遞增(++itr)是一種簡單的優化方法，它可以顯著提高循環的執行效率。代碼示例如下：

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

  // 使用前置遞增代替后置遞增
  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());

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

經過這一簡單的改變，代碼的執行時間減少至323.58秒，相比未優化版本有了38%的改進。

使用std::for_each算法

我們可以使用std::for_each算法來進一步優化循環。std::for_each算法會自動緩存.end()并使用前置遞增代替后置遞增操作。但需要注意的是，在關閉優化的情況下，編譯器無法內聯調用Sum和Increment函數，這可能會導致性能下降。代碼示例如下：

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個值
  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進行循環求和
    std::for_each(vec.begin(), vec.end(), Sum(sum));

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

需要注意的是，這種優化方法在關閉優化的情況下可能會導致效率下降。

結論：

通過對循環進行優化，我們可以顯著提升C++程序的性能。關鍵的優化技巧包括緩存迭代器、使用前置遞增代替后置遞增以及使用適當的算法（如std::for_each）。然而，在進行優化時，我們需要注意優化對于特定編譯器和環境的適用性，以及可能引入的副作用。

責任編輯：趙寧寧來源：鯊魚編程

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