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C++應用程序性能優化的前言

在計算機發展的早期階段,硬件資源相對而言是非常昂貴的。不論是CPU運行時間,還是內存容量,都給編程人員設置了很大的限制。因此,當時程序對運行性能和內存空間占用的要求是非常嚴格的。很多開發人員為了減少1%的CPU運行時間,為減少幾十個,甚至幾個字節而孜孜努力。隨著計算機技術的快速發展,硬件資源變得相對便宜。因此有的觀點認為在開發軟件時,軟件的性能優化將不再重要,硬件將解決性能問題。但事實上,這種觀點是相對片面的。的確,硬件的發展解決了部分軟件的性能問題。但隨著硬件計算能力的提高,人們對軟件功能的要求也越來越高。當今的軟件功能越來越復雜,給用戶的界面和操作體驗也越來越智能和友好,這些需求帶來的軟件性能上的要求是硬件不能完全解決的。很多實際的項目證明,如果在開發軟件時不重視性能的優化,最終雖然實現了功能上的要求,但軟件的運行效率低下,也不能給用戶帶來很好的效益。因此,軟件的性能優化是計算機軟件開發過程中需要壹直關註的重要因素。

程序性能優化的過程

從開發過程的角度來看,程序的性能優化流程壹般如下圖所示。

性能優化的第1步是測量,尤其是規模較大,並且比較復雜的軟件系統,測量性能數據是進行性能優化的基礎。有了真實的數據,才可以進行第2步,即分析數據,從而找到系統真正的瓶頸所在。毫無疑問,優化應該是針對系統的性能瓶頸進行的,而找到性能瓶頸應該是建立在真實性能數據的基礎上的,而不能是主觀臆斷。很多工具可以輔助進行性能測量和數據分析,本書也會介紹壹些這方面工具的使用方法和實踐經驗。

進行性能優化的核心在於第3步,即分析原因,修改程序,這也將是本書重點介紹的部分。程序的性能包括很多方面,常見的有程序的啟動速度、運行速度及運行時占用的內存等。而影響這些性能的因素也很多,大致可以分為如下兩類。

軟件編程設計因素:如算法和數據結構的選擇、編程語言的使用等。

軟件系統結構因素:如動態庫/靜態庫的組織、外部數據的存儲及網絡環境等。

軟件編程設計因素可以看做是程序的內在本質,壹般來說,也是對軟件性能影響較大的因素。只有對編程語言、算法和數據結構有深入的了解,才能分析出原因,並且找出解決性能問題的方法。本書將針對C++語言,深入介紹C++程序性能優化的方法和實例。

軟件系統的結構因素可以看做是程序的外在形式,它們壹般和操作系統緊密相關。軟件系統,由於功能復雜,大都采用組件形式,以最大限度地提高可復用性。因此,壹般會包含壹些動態庫/靜態庫,這些庫的組織也會影響到軟件系統的性能。本書將針對Windows和Linux介紹動態庫和靜態庫的基本知識及其對軟件系統性能的影響。需要指出的是,上面這個優化的過程需要在軟件開發的整個過程中不斷地叠代進行。而且開始得越早,出現的性能問題越容易解決。

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