优化 C++/优化生命周期

高效应用程序的构建应遵循以下开发过程

设计。首先，算法和数据结构的设计要符合应用程序逻辑，并且具有合理的效率，但无需考虑优化。在设计广泛使用的数据结构时，其最佳实现并不明显（例如，争论数组或链表哪个更好），可以定义一个抽象结构，在优化阶段可以更改其实现。
实现。其次，编写实现设计算法的代码，遵循指南以避免低效操作并封装可能需要优化的操作。
功能测试。然后测试生成的软件，以提高其没有严重缺陷的可能性。
优化（又名调整）。在完成正确工作的应用程序的开发后，优化阶段开始，包括以下子阶段
1. 性能测试。检测性能不足的命令。这些命令在处理典型数据时，需要的资源（CPU 时间、存储空间等）超过了可用资源。
2. 分析（又名性能分析）。对于每个性能不足的命令，使用分析器确定哪些代码部分是该命令的所谓瓶颈。瓶颈是代码中花费大量时间或分配大量内存空间的部分。
3. 算法优化。对于每个瓶颈，应用很大程度上独立于编程语言并且完全独立于平台的优化技术。这类技术可以在算法理论教科书中找到。这种优化涉及尝试减少执行的机器周期数量。特别地，它涉及减少对昂贵例程的调用次数，或将昂贵的操作转换为等效但成本更低的操作。例如，选择快速排序排序算法而不是选择排序算法。如果这使程序足够快，则优化阶段完成。
4. 平台无关优化。对于每个瓶颈，应用依赖于编程语言及其标准库，但独立于软件和硬件平台的优化技术。例如，使用整数运算而不是浮点运算，或从标准库中选择更合适的容器类。如果这使程序足够快，则优化阶段完成。
5. 软件平台依赖优化。对于每个瓶颈，应用依赖于编程语言和软件平台，但独立于硬件平台的优化技术。例如，利用编译器选项、pragma 编译器指令、语言扩展、非标准库、对操作系统的直接调用。如果这使程序足够快，则优化阶段完成。
6. 硬件平台依赖优化。对于每个瓶颈，应用依赖于硬件平台的优化技术。这可能涉及使用特定于处理器系列的机器指令，或使用在某些处理器类型上特别有利的高级功能，这些功能通常可用。

这个开发过程遵循两个标准

收益递减原则。首先应用那些只需很少努力就能产生很大效果的优化，因为这可以最大程度地减少达到性能目标所需的时间。
可移植性递减原则。最好首先应用适用于多个平台的优化，因为它们在平台改变时仍然适用，并且更容易被其他程序员理解。

在软件必须使用多个编译器和多个操作系统，但只使用一种处理器架构的罕见情况下，应交换阶段 4.5 和 4.6。

这个阶段序列并非指单向序列，即一旦达到一个阶段，就不会再使用前一个阶段。实际上，每个阶段都可能成功或失败。如果一个阶段成功，则应用下一阶段，而如果一个阶段失败，则重复前一个阶段，这就像一种回溯算法。

此外，在每次优化尝试后，应执行部分性能测试，以检查尝试是否有用，如果有用，则检查是否需要更多优化。

最后，在完成优化后，必须重复功能测试和完整的性能测试，以确保软件的新优化版本在功能上仍然正确并且具有合适的性能。

本书仅涉及上述三个阶段

阶段 2，特别是在“编写高效代码”一章中，使用 C++ 语言。
“通用优化技术”一章中，使用 C++ 的示例介绍了阶段 4.3 的一些通用技术。
阶段 4.4，特别是在“代码优化”一章中，使用 C++ 语言。

约定

通过对象，是指分配的内存区域。特别是，与基本类型变量（如bool、double、unsigned long或指针）关联的数据片段是一个对象，因为它与类的实例关联的数据结构。每个变量都关联一个对象，其大小由sizeof C++ 运算符给出，但对象可能没有与之关联的变量，或与之关联的多个变量。例如，指针是一个对象，但它可以指向另一个对象；这个被指向的对象与任何变量都没有关联。另一方面，在以下代码中，变量a和变量b都与同一个对象关联

int a;
int& b = a;

数组、结构体和类实例是对象，如果它们不为空，则包含子对象。因此，它们将被称为聚合对象。

当前一个对象的销毁导致后一个对象的销毁时，我们说一个对象拥有另一个对象。例如，一个非空的vector对象通常包含一个指向包含所有元素的缓冲区的指针；vector的销毁会导致该缓冲区的销毁，因此我们说这个缓冲区被vector对象拥有。

某些优化仅对短数据序列有用，而另一些对长数据序列有用。稍后将使用以下分类来对对象大小进行分类

微小：不超过 8 字节。它适合一个或两个 32 位寄存器，或一个 64 位寄存器。
小：超过 8 字节，但不超过 64 字节。它不适合处理器寄存器，但适合处理器数据缓存行，并且可以使用从起始地址偏移的非常紧凑的机器指令完全引用它。
中等：超过 64 字节，但不超过 4096 字节。它不适合处理器数据缓存行，也不能完全用紧凑的机器指令引用，但它适合处理器一级数据缓存，适合虚拟内存页面，并且适合大规模存储块集群。
大：超过 4096 字节。它不适合处理器一级数据缓存，不适合单个虚拟内存页面，也不适合单个大规模存储块集群。

例如，只有当double数组包含一个元素时才被认为是微小的，如果它有 2 到 8 个元素，则被认为是小的，如果它有 9 到 512 个数字，则被认为是中等的，如果它有超过 512 个数字，则被认为是大的。

由于存在非常不同的硬件架构，给出的数字仅是一种指示。虽然，这些数字相当现实，可以作为开发软件以覆盖主要架构以相当高效的方式的严肃标准。