C++性能剖析教程之循环展开

下面是关于“C++性能剖析教程之循环展开”的完整攻略：

1. 什么是循环展开

循环展开是一种优化技术，指将循环体语句复制若干次以减少分支和循环的开销，从而提高代码的执行速度。循环展开时需要注意的是展开的次数（即展开因子）应该适量，过大会导致代码膨胀、缓存未命中率增加等问题，影响性能。

循环展开通常需要配合编译命令中的优化选项一起使用，以便在编译时对代码进行优化。对于gcc编译器，常用的选项如下：

-O0：不进行优化
-O1：进行基本的优化（默认级别）
-O2：进行更多的优化
-O3：进行更加激进的优化

2. 如何进行循环展开

循环展开的实现步骤一般如下：

1. 确定循环体中的可展开语句

对于较长的循环体，应该选择其中频繁执行、占用时间较多的语句进行展开。一般来说，选取一些花费时间较多并且可以彼此独立的语句，并将它们连续执行会有比较好的效果。

1. 按展开因子展开语句

展开因子指展开的次数。循环展开的次数可以根据语句复杂度、计算机性能等进行适当的选择。

1. 变量名修改

由于展开操作，每个变量使用的次数都增加了。如果不对变量名进行修改，可能会导致编译错误。应该为每一个展开后的变量添加一个计数器后缀。

3. 具体示例

下面是两个关于循环展开的示例，供大家参考：

示例1：循环累加

对于这样一个简单的累加循环：

int sum = 0;
for (int i = 1; i <= n; ++i) {
    sum += i;
}

我们可以将循环体拆分为若干个语句，并展开三次：

int sum = 0;
for (int i = 1; i <= n; i += 3) {
    sum += i + (i + 1) + (i + 2);
}

通过展开，我们只需执行n/3次循环即可完成计算，从而提高了性能。

示例2：矩阵乘法

对于两个矩阵的乘法，我们可以尝试展开内层循环：

int m1[num_row][num_col], m2[num_col][num_new_col], res[num_row][num_new_col];
for (int i = 0; i < num_row; i++) {
    for (int j = 0; j < num_new_col; j++) {
        for (int k = 0; k < num_col; k++) {
            res[i][j] += m1[i][k] * m2[k][j];
        }
    }
}

可以将内层循环展开，比如展开为4次：

int m1[num_row][num_col], m2[num_col][num_new_col], res[num_row][num_new_col];
for (int i = 0; i < num_row; i++) {
    for (int j = 0; j < num_new_col; j += 4) {
        for (int k = 0; k < num_col; k++) {
            res[i][j] += m1[i][k] * m2[k][j];
            res[i][j+1] += m1[i][k] * m2[k][j+1];
            res[i][j+2] += m1[i][k] * m2[k][j+2];
            res[i][j+3] += m1[i][k] * m2[k][j+3];
        }
    }
}

这样展开之后，每个循环迭代执行了4次计算，会有更好的性能表现。

总结

循环展开可以通过减少分支代价来提高代码的性能。但是需要注意，循环展开的次数合适即可，过大会导致代码膨胀、缓存未命中率增加等问题，影响性能。在实践中，我们可以根据具体情况来选择循环展开的次数。同时，循环展开也需要在编译时开启相应的优化选项。