C++ 效能最佳化指南：探索提高程式碼執行效率的秘訣

C++ 性能优化涉及多种技术，包括：1. 避免动态分配；2. 使用编译器优化标志；3. 选择优化数据结构；4. 应用缓存；5. 并行编程。优化实战案例展示了如何在整数数组中查找最长上升子序列时应用这些技术，将算法效率从 O(n^2) 提升至 O(n log n)。

C++ 性能优化指南：掌握提升代码执行效率的秘诀

简介

C++ 是一种强大的编程语言，以其速度和效率而闻名。通过实施一些关键优化技术，您可以显著提高 C++ 代码的性能。本文将深入探讨 C++ 性能优化，并提供实战案例以说明每个技术。

优化技术

1. 避免动态分配和释放

动态分配和释放内存非常耗时，尤其是频繁执行时。尽量使用局部变量和智能指针来避免动态内存管理开销。

// 动态分配
int* arr = new int[100];
delete[] arr; // 释放内存

// 智能指针（避免手动释放）
std::unique_ptr<int[]> arr(new int[100]);

2. 使用编译器优化标志

编译器提供各种优化标志，可用于生成更快的代码。开启这些标志以改善函数内联、循环优化和代码生成质量。

// GCC 编译器
g++ -O3 -Wall -std=c++17

3. 优化数据结构

选择适合特定需求的数据结构至关重要。例如，对于快速查找，使用哈希表而不是线性搜索。

// 哈希表（快速查找）
std::unordered_map<int, int> myMap;

4. 应用缓存技术

缓存存储经常访问的数据，从而避免昂贵的计算或 I/O 操作。使用智能指针或泛型容器实现缓存。

// LRU 缓存（最近最少使用）
class LRUCache {
    std::unordered_map<int, int> cache;
    std::list<int> lru;
public:
    int get(int key) { ... }
    void put(int key, int value) { ... }
};

5. 并行编程

对于 CPU 密集型任务，使用多线程并行编程可以提高性能。标准库提供线程和同步原语。

// 并行 for 循环
#include <thread>
#include <vector>

void parallel_sum(const std::vector<int>& arr, int* sum) {
    std::vector<std::thread> threads;
    int thread_count = std::thread::hardware_concurrency();
    for (int i = 0; i < thread_count; i++) {
        threads.push_back(std::thread([=, &arr, &sum] {
            *sum += std::accumulate(&arr[i * arr.size() / thread_count],
                                   &arr[(i + 1) * arr.size() / thread_count], 0);
        }));
    }
    for (auto& thread : threads) thread.join();
}

实战案例

案例：查找整数数组中的最长上升子序列

// 未优化的算法（时间复杂度：O(n^2)）
int longestSubsequence(const std::vector<int>& arr) {
    int maxLength = 0;
    for (int i = 0; i < arr.size(); i++) {
        for (int j = i + 1; j < arr.size(); j++) {
            if (arr[j] > arr[i]) maxLength = std::max(maxLength, j - i + 1);
        }
    }
    return maxLength;
}

// 优化后的算法（时间复杂度：O(n log n)）
int longestSubsequence(const std::vector<int>& arr) {
    std::vector<int> tail(arr.size(), -1);
    int maxIndex = -1;
    for (int i = 0; i < arr.size(); i++) {
        // 二分搜索查找插入点
        int l = 0, r = maxIndex;
        while (l < r) {
            int mid = (l + r) / 2;
            if (arr[tail[mid]] < arr[i]) l = mid + 1;
            else r = mid;
        }
        if (maxIndex < r) {
            if (r == 0) tail[0] = i;
            else tail[r] = i;
            maxIndex = r;
        }
    }
    return maxIndex + 1;
}

通过使用二分搜索优化递推过程，算法的效率从 O(n^2) 提高到 O(n log n)。

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