C++ 技巧篇

 
 
C++
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在观看了 Cherno 的 C++ 系列视频后的一些记录——技巧篇，囊括了有关 C++ 的性能操作、功能性操作

2024-07-27 11:06:29

目录：

std::vector的优化使用

创建与使用库

如何处理多返回值

为什么不使用using namespace std

线程

计时

条件与操作断点

预编译头文件

基准测试

可视化基准测试

小字符串优化

跟踪内存分配的简单方法

std::vector的优化使用

我们创建类对象时，实际上是在主函数的当前栈帧中构造它，因此需要把类对象从mian函数中复制到vector类中。这是可以优化的第一件事，在vector分配的内存中构造类对象

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std::vector<Vertex> vertices;

// 只传递了构造函数的参数列表，在实际的`vector`内存中使用以下参数构造`Vertex`对象
vertices.emplace_back(1, 2, 3);
vertices.emplace_back(4, 5, 6);
vertices.emplace_back(7, 8, 9);

提前告知需要的内存大小（2个对象），这样就不必调整大小了，这就是第二种优化策略

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std::vector<Vertex> vertices;

vertices.reserve(2);

创建与使用库

如何处理多返回值

在代码中可以看的比较清晰

堆与栈内存的比较

当我们在栈中分配变量时，发生的是栈指针基本上移动变量大小的字节，如果我们想分配一个4个字节的整数，就把栈指针移动4个字节。栈的做法只是把东西堆在一起，这就是为什么栈分配非常快，它就像一条 CPU 指令，我们所做的就是移动栈指针，然后返回栈指针的地址

new关键字实际上调用了malloc函数，当你使用malloc请求堆内存时，它可以浏览空闲列表（跟踪哪些内存块是空闲的），然后找到一个至少和你要的一样大的空闲内存，做一堆记录，然后返回给你一个指针。更麻烦的是如果你想要更多的内存，超过了空闲列表，超过了操作系统给你的初始分配，会有一堆事情

在堆上分配内存是一堆的事情，而在栈上分配内存就像一条 CPU 指令，这是这两种主要的内存分配方法的区别

为什么不使用using namespace std

以下是几个原因：

  • 命名冲突：如果两个命名空间中有同名的函数或类，使用using namespace std可能会导致编译器混淆，不知道你想要引用的是那个名称。这会导致编译失误或意外的行为
  • 命名空间污染：当你在全局范围内使用using namespace std时，它会使用命名空间中的所有名称都成为全局变量。这可能导致与其他代码库发生冲突，这些代码库可能没有意识到你正在使用标准库中的名称

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如果你的头文件（.h、.hpp）有被外部使用，则不要使用任何 using 语句引入其他命名空间或其他命名空间中的标识符。在源文件（.cpp）中用 using 语句就是个人的选择了，如果你决定在代码中使用 using namespace std，最好将其限制在一个函数、类或命名空间内。这样可以减少对其他代码的影响，并减少潜在的命名冲突。

综上所述，通常建议的做法是明确指定要使用的标准库名称。这样做的好处是代码更加清晰和可维护，并且减少了潜在的命名冲突和错误。

线程

详情见代码吧

计时

计时对很多事情都很有用，不管你是希望某些事情在特定时间发生，还是只是评估性能或做基准测试——看看你的代码运行得有多快，你需要知道应用程序实际运行的时间。有几种方法可以实现这一点，C++11 之后，我们有 chrono，它是 C++ 库的一部分，不需要去使用操作系统库，但在有 chrono 之前，如果你想要高分辨率的时间（一个非常精准的计时器），那你需要使用操作系统库。事实上，如果你想要更多地控制计时，控制 CPU 的计时能力，那么你可能会使用平台特定的库（如 Windows 中的 QueryPerformanceCounter）。chrono 是与平台无关的 C++ 标准库方法，这是一种非常简单的方法，因为并不是所有的平台都有足够好的，不增加开销的分析工具。

代码实现如下：

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class Timer {
 public:
  Timer() {
	m_start_time_point_ = std::chrono::high_resolution_clock::now();
  }

  ~Timer() {
	Stop();
  }

  void Stop() {
	auto end_time_point = std::chrono::high_resolution_clock::now();

	auto start_time =
		std::chrono::time_point_cast<std::chrono::microseconds>(m_start_time_point_).time_since_epoch().count();
	auto end_time = std::chrono::time_point_cast<std::chrono::microseconds>(end_time_point).time_since_epoch().count();

	auto duration = end_time - start_time;
	auto ms = duration * 0.001;

	std::cout << duration << "us( " << ms << " ms)\n";

  }
 private:
  std::chrono::time_point<std::chrono::high_resolution_clock> m_start_time_point_;
};

类型双关

我们可以用不同的方式（转换成指针）解析一段内存，从而得到不同的结果，类型只是约定的解析内存的方式

条件与操作断点

预编译头文件

基准测试

当你正在处理一个对性能相当关键的部分，或者你正在测试你刚刚学过的新技术，你想把它的性能和过去使用的方法做个比较，看看那个性能好。有些人喜欢依赖第三方工具，有些人喜欢对代码进行仪表化处理，给它们设置计时器之类的东西，有些人喜欢运行他们的程序，把程序封装在一个计时器中，然后测试特定的程序。

值得注意的是，无论你在测试什么，都需要确保你确实做了这些事情，因为编译器实际上会非常积极地改变你的代码，具体可见

如何让 C++ 运行得更快

我们会讨论如何通过多线程来提高性能，这是为现代硬件而设计的，因为它们能够并行处理。它们有多个 CPU 核心，这意味着可以在同一时间并行执行指令，而不需要等待上一条指令完成后再执行下一条 CPU 指令。值得注意的是，做并行运行最难的是要找出彼此的依赖关系，并想清楚在不同的线程中放什么

详情可见代码

正如你所看到的，这种多线程对你的程序是非常有益的，你可以通过充分利用你的硬件来提高速度。很多优化，很多性能方面的东西都是关于充分利用你正在工作的硬件。知道你计划在什么平台上发布你的代码，知道你的程序将在什么硬件上运行，然后利用这些优势，要知道的是现在几乎所有设备都是多核的，利用这些线程，不只是让你的程序顺序执行一条条指令，而是把一些东西推迟到不同的线程，甚至不是推迟，而是把东西分派到不同的线程，让计算机更快得处理这些东西

如何让 C++ 字符串更快

字符串会很慢，但这里不会谈论背后的技术细节，你只需要知道这是因为字符窜要分配内存，在堆上分配并不一定是坏事，事实上，在很多情况下，这是不可避免的，但如果可以避免，就尽可能的避免，因为它会降低程序的速度，std::string和它的很多函数都喜欢分配，这实际上并不理想，在 Clion 编译器 C++ 17 中，std::string做了SSO（Small String Optimization） ，对于长度大于 15 的字符串才会分配内存（我不确定其他编译器是否如此）

想要取消字符串的内存分配吗，这里有两种情况，一种是使用const char*，另一种使用字符串视图，建议采取第二种，因为使用一个字符串可能是更加现实的情况，它可能来自一个文件或以某种方式生成的

std::string_view是 C++ 17 中的一个新类，它的本质只是一个指向现有内存的指针，换句话说，就是一个const char *，指向其他人拥有的现有字符串再加上一个大小 size，也可以理解成，创建了一个窗口，一个进入现有内存的小视图，而不是分配一个新的字符串。没有内存分配，按值传递字符串视图是非常轻量级的

基于 10000 次循环迭代后的基准测试，它会让你体会到内存分配对性能的影响有多大

可视化基准测试

小字符串优化

小字符串优化（SSO）通常是通过在对象内部预留一个足够大的缓冲区来实现的，在 64 位系统上，std::string对象通常大小为 32 字节，这个大小包含了所有元数据和内部缓冲区

以下是std::string对象内结构的典型示例：

  • 元数据：包括长度、容量和其他必要的标志
  • 内部缓冲区：用于存储小字符串字符数据

所以，一个典型的实现可能如下：

  • 长度和容量：2 个size_t类型（在 64 为系统上每个占 8 字节），共 16 字节
  • 内部缓冲区：16 个字节（15 个字符 + 1 个空终止符）

对于 15 个及以下字符的小字符串，字符数据可以直接存储在std::string对象内部，超过 15 个字符的字符串将会触发内存分配，字符数据将存储在堆上，而对象内部只存储一个指向该数据的指针

跟踪内存分配的简单方法

基础代码实现如下：

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void *operator new(size_t size) {
    std::cout << "Allocating " << size << " bytes\n";
    
    return malloc(size);
}

void operator delete(void *memory) {
    free(memory);
}

可以看一下demo

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