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# 第05章：优化程序性能

## [视频解说](https://www.bilibili.com/video/BV1RK4y1R7Kf?p=5)

## 导读

程序优化涉及的范围实在是太广了，几乎每个层面都可以进行优化，比如撰写<编译器友好型>以及<缓存友好型>的程序，针对不同的目标硬件平台还可能进行特定的优化，等等，优化的难点在于你需要对系统有充分理解，当然了在你做优化之前**首先要保证原始程序功能正确（并且有回归测试）**，否则一切都是徒劳。

{% hint style="info" %}
首先需要理解，哪些因素会影响程序的性能
{% endhint %}

![](/files/-MW3-YvMvttjaQymhCZf)

**温馨提醒：**&#x4E;othing can fix a dumb algorithm!  == 没有什么能修正一个愚蠢的算法 !

**历史**：第一个编译器是由美国女性计算机科学家葛丽丝·霍普（Grace Hopper）于1952年为A-0 系统编写的。但是1957年由任职于IBM的美国计算机科学家约翰·巴科斯（John Warner Backus）领导的FORTRAN则是第一个被实现出具备完整功能的编译器。1960年，COBOL成为一种较早的能在多种架构下被编译的语言。首个能编译自己源程序的LISP编译器是在1962年由麻省理工学院的Hart和Levin制作的。

![](/files/-MVpRctEbtdAxWKF_Oef)

题外话：1947年9月9日，葛丽丝·霍普（Grace Hopper）还发现了第一个电脑上的bug。当在Mark II计算机上工作时，整个团队都搞不清楚为什么电脑不能正常运作了。经过大家的深度挖掘，发现原来是一只飞蛾意外飞入了一台电脑内部而引起的故障。这个团队把错误解除了，并在日记本中记录下了这一事件。也因此，人们逐渐开始用“Bug”（原意为“虫子”）来称呼计算机中隐藏的错误。

**编译器领域最早成名的教材**： *Compilers: Principles,Techniques,and Tools，*&#x4E2D;文名（龙书）：*编译原理*

本书的一大特点就是抽象难懂，主要讨论了编译器设计的重要主题，包括词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、代码优化、代码生成等过程。

![](/files/-MVt07nkwuQI_FXvP0i7)

2020年图灵奖宣布授予哥伦比亚大学计算机科学名誉教授 Alfred Vaino Aho 和斯坦福大学计算机科学名誉教授 Jeffrey David Ullman，以表彰他们在编程语言实现（programming language implementation）领域基础算法和理论方面的成就。

![](/files/-M_ugEhl2vBOk-9hayT_)

**从教科书回到现实世界（工业强度的现代编译器）**：[GCC](https://gcc.gnu.org/)，[LLVM](https://llvm.org/)

![](/files/-M_umJNUDWeMPXdpWw96)

例如，GCC实现的时候做了两层的中间码，分别是GIMPLE中间码，RTL中间码。代码生成阶段要考虑对应的指令集架构的寄存器使用，以及考虑流水线的调度。

![](/files/-M_uTav6aNVXfEf46IWC)

![](/files/-M_pZppOMGOcPG42B-yt)

## **学习方式**

[CMU教授的视频教程 - Lecture10：程序性能优化 (Program Optimization)](https://www.bilibili.com/video/BV1a54y1k7YE?p=13)

<div align="center"><img src="/files/-Ma6IS3tlQ8Szu1aW9-O" alt="系统性能优化的诸多着眼点"></div>

![编译器优化思路以及它的局限性](/files/-Ma6KgoEFTAGrKG4eOfJ)

## **重点示例**

例1：编译器聪明但保守，有时候你写的程序会阻止编译器做优化（precedure side-effects）

![](/files/-Ma6Sb-bxAgH7QWW4T_b)

![](/files/-Ma6SxSp_c4dpZpWcDFN)

例2：编译器聪明但保守，有时候你写的程序会阻止编译器做优化（memory alising）

```c
int fn (int *a, int *b)
{
    *a = 3;
    *b = 4;
    return (*a + 5);
}

// 编译器会把以上代码优化成下面的样子么？不会！谁知道程序员会不会这么调用 f(&x,&x);
int fn (int *a, int *b)
{
    *a = 3;
    *b = 4;
    return (3 + 5);
}

// 但是你可以帮助编译器，使用C99的restrict类型限定符，但还是需要开发者确保两个指针不指向同一数据
// https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Restricted-Pointers.html
int fn (int *__restrict__ a, int *__restrict__ b)
{
    *a = 3;
    *b = 4;
    return (*a + 5); // 这里会被优化为 return (3 + 5)
}
```

例3：善用编译器的特定选项或者开关（当然也需要处理器支持），利用有限的资源创造出最大的价值。

{% hint style="info" %}
请参考教学投影片（p22\~）以及CMU教授的视频讲解，与原始程序相比，性能达到了数十倍（甚至百倍）的提升，其中使用到了许多优化方面的技巧，比如 code motion，loop unrolling，auto vectorization，etc，相信会对你有所启发。
{% endhint %}

## 作业解答

（无）

## 实验解读

（无）