在做軟件設計咨詢工作時，我常常發現：許多高性能軟件產品的研發團隊，在軟件開發階段，僅僅關注并實現業務的特性功能。待功能交付后，才花費大量時間對軟件代碼進行調整優化。

而且，在與這些程序員接觸的過程中，我還觀察到一個有趣的現象：大家普遍認為，在軟件編碼實現階段，過早考慮代碼優化意義不大，應等到功能開發完成，再基于打點 Profiling（數據分析）去優化代碼實現。

其實，這個想法是否可取，也曾困擾過我。然而，在經歷眾多由低級編碼導致的性能問題后，我發現高性能編碼實現極具價值，且能讓我更好地處理編碼實現優化與 Profiling 優化之間的關系。

建立正確的高性能編碼價值觀

首先，提及高性能編碼，想必您肯定聽說過現代計算機科學的鼻祖高德納（Donald Knuth）的那句名言：“We should forget about small efficiencies, say about 97% of the time: premature optimization is the root of all evil. Yet we should not pass up our opportunities in that critical 3%.” 意思是：我們應該忘掉那些效率低下的事情，告誡自己在 97% 的情況下：過早優化是萬惡之源。但是，我們也不應該在關鍵的 3% 上錯過優化機會。——《Computer Programming as an Art (1974)》P671。

不過我認為，或許很多程序員僅僅記住了這句話的前半部分，即 “97% 的情況下，過早優化是萬惡之源”，卻沒有留意到這句話還有后半句：我們不應該放棄掉那關鍵的 3% 的優化機會。

所以，由此造成的后果是：過度推崇不要對代碼進行提前優化，并將此當作編寫低性能軟件代碼的借口。也就是說，當下我們在軟件編碼過程中所遇到的大多數問題，并非由過早優化所致，而是因為在編寫代碼時對執行效率缺乏關注所引發的。

其實，在編寫代碼階段樹立追求高性能實現的意識極為重要，主要有兩方面原因。

第一個原因在于，或許原本只是一個細微的編碼問題，卻有可能引發軟件較大的性能問題。例如，我曾經參與的一個 C++ 高性能軟件開發項目，由于一位研發人員在編碼時不慎遺漏了函數行參的引用符號，致使函數調用開銷增大，軟件版本性能顯著下降。而且這個問題較為隱蔽，我們后續耗費了大量精力，在代碼中增添了眾多定位手段，才得以發現問題。

第二個原因是，一旦錯失高性能編碼的時機，將性能問題遺留到軟件生命周期的后期，很可能因為錯過了當時編寫代碼的具體情境，后續就難以再察覺這個問題。在此，我再為您舉個例子加以說明。

可以看到，在如下所示的代碼片段中，這個類的實例在接收數據之后，會更新各個 Channel 中的數據量大小，而后對外提供了一個方法，用于判斷所有通道中是否存在數據

public class ChannelGroup {
class Channel{
public String channelname;
public int dataSize;
    }


    Channel[] channels;


public Channels() {
        channels = new Channel[10]; 
    }


public receiveData(...)  {....}  // 收到數據更新Channel中信息，省略
public boolean hasData() {   // 判斷所有通道是否有數據。
for (Channel Channel : Channels) {
if (Channel.dataSize > 0){
return true;
            }
        }
return false;
    }
}

那么在看完這段代碼之后，您認為這段代碼實現中的方法 hasData ，能算作高性能實現嗎？倘若僅依據這段代碼實現來加以分析，會覺得它似乎不存在性能問題。畢竟，對于一個僅有 10 個元素的數組而言，運用二分法查找來提高查找速度的必要性并非很大。

好，我們暫且如此認為，接著再做一個假設：在真實的編寫代碼過程中，存在這樣一個潛在的上下文信息，即在絕大多數業務場景下，是第三個通道收到數據。那么針對這種情況，如果再采用從前向后的順序遍歷，必然不是性能最佳的實現方式，而應當先判斷第三個通道中的數據。

所以通過這兩個例子，您應該明白了，如果在編碼實現階段并非從高性能實現的角度出發，而是打算在后續通過打點數據分析來優化解決問題，幾乎是不太可行的。

實際上，依我的思考和實踐經驗而言，在開發一個高性能軟件系統時，在編碼階段考慮高性能的實現方法，與完成業務功能后再進行代碼調優，兩者并不沖突，應當同等重視。因為前期的高性能編碼實現過程，大多由人主觀把控，所以可能會因判斷失誤或者實現過程中的疏忽，引入一些低效率的代碼實現。如此一來，后期通過熱點代碼分析以及代碼調優的過程，是不可省略的。

而且說實話，在我心中，優秀的軟件代碼應當兼具代碼簡潔與性能，倘若對編碼性能嗤之以鼻，我認為這樣的程序員通常也寫不出高質量的代碼。

好了，在理解了應當如何看待高性能編碼之后，接下來的問題便是，如何才能掌握實現高性能編碼的方法，下面我們就具體來瞧瞧。

高性能編碼實現方法

其實在軟件開發的進程中，高性能編碼實現的方法與技術繁多，不同的編程語言之間還會存在一定差異，很難在一節課里介紹周全。

所以，今天我主要從編寫的代碼映射到執行過程的視角，為您介紹四種高性能編碼實現方法，以及相應的實現原則和手段，分別是循環實現、函數方法實現、表達式實現以及控制流程實現。

在實際的軟件編碼過程中，您也能夠依照這樣的角度和思路，嘗試去理解與分析軟件代碼的運行態過程，逐步積累并完善高性能編碼的實現技巧。

好，接下來我們就從循環實現入手，來瞧瞧這種高性能實現的原則和方法。

高性能循環實現

我們都清楚，在編寫代碼時，循環體內的代碼會被多次執行，因而其代碼開銷會被放大，常常會出現在熱點代碼當中。也就是說，怎樣實現高效循環是達成高性能編碼最為關鍵的一步。

那么，編寫高效循環代碼的重要參考原則有哪些呢？我覺得主要有兩個，下面我們具體來了解一下。

第一點，盡量避免對循環起始條件和終止條件的重復計算。為了讓您更輕松地理解這個原則，我先帶您來看一個高效循環的反面例子。在下面這個代碼示例中，所實現的功能是循環遍歷并更新字符串中的值，您會發現，在循環執行的過程中，strlen 被調用了多次，所以性能較低。

void updateStr(char* str)
{
for(int i = 0; i<strlen(str); i++)
    {
        str[i]= '*';
    }
}

那么，針對這種情況，我們就應該在循環開始時，將字符串長度值保存在一個變量中，從而避免重復計算。修改好的代碼如下：

void updateStr(char* str)
{
int length = strlen(str);
for(int i = 0; i< length; i++)
    {
        str[i]= '*';
    }
}

第二點，盡量避免循環體中存在重復的計算邏輯。

我們同樣也來看一個反模式的代碼示例。在下面這段代碼的實現過程中，x*y的值并沒有發生變化，但是在循環體中被執行了很多遍。

void initData(int[] data, int length, int x, int y){
for(int i = 0; i < length; i++)
    {
        data[i] = x * y + 100;
    }
}

因此，從高性能編碼實現的角度出發，我們能夠將 x*y 值的計算過程遷移至循環體之外，以此降低這部分的冗余計算開銷。實際上到這里，您可以記住這么一句話：編寫高效循環代碼的本質，就是盡可能讓循環體中執行的代碼越少越好，剔除掉所有能夠冗余的重復計算。

那么在具體的代碼實現里，需要檢查的循環優化點其實還有眾多。例如，您還需要檢查是否存在重復的函數調用、多余的對象申請和構造、多余的局部變量定義等等。所以，在編寫循環代碼時，您需要留意識別并剝離出此類代碼實現。

高性能函數方法實現

實現高性能的函數方法，存在兩個重要的出發點：盡可能通過內聯來降低運行期函數調用，盡可能減少不必要的運行期多態。接下來，我為您講解一下為何要從這兩個點出發，以及應當如何去做。

第一點，盡可能通過內聯來降低運行期函數調用。所謂 “通過內聯”，指的是將代碼直接插入到代碼調用中進行執行，從而減少運行期函數調用。那為何要減少生成真實的運行期函數呢？這是由于函數調用自身會產生一些額外的性能開銷。在函數調用的過程中，需要先把當前局部變量壓棧，在調用結束后還需要出棧操作，同時還需要更新相關寄存器。所以當函數體內部的邏輯較小時，所產生的額外開銷所占比例會比較高。因此，對于較小的函數方法，我們應盡量采用內聯實現，以此降低不必要的調用開銷。

實際上，不同的編程語言，支撐函數方法內聯的語法和機制存在一定差異。在 Java 語言的開發過程中，我建議您盡量使用 final 來定義方法，因為在這種場景下，Java 的 JIT 有較大概率將這個代碼方法內聯掉。而在 C++ 中，針對一些熱點小函數，您可以使用 Inline 關鍵字來定義方法，如此便能明確告知編譯器盡量將代碼內聯掉。補充：在早期 C 語言的開發過程中，由于沒有內聯語法，程序員常常使用編譯宏來定義方法，以此減少真實方法的調用開銷。然而，最終編譯器或解釋器能否將代碼內聯掉，還存在許多隱性約束條件，所以您在編碼實現時需要多加留意。

第二點，盡量減少不必要的運行期多態。

多態的本質即為函數指針，它需要在運行過程中獲取內存中變量的值，以此判斷代碼執行需要跳轉至哪個位置。而這種在運行期動態決定跳轉地址的情況，極易導致指令集流水線的中斷，使得指令 Cache Miss 的概率增加，進而引發性能下降。

不過在 Java 語言中，由于類方法模式均是抽象的，所以我們能夠將關鍵方法定義為靜態方法，從而避免多態調用；對于 C++ 而言，在定義類方法時，我們可以依據需求決定是否使用抽象方法，以減少不必要的多態；而在 C 語言中，我們能夠通過盡量避免使用不必要的函數指針，來降低運行期多態。

另外，在實現高性能函數方法時，還有一些要點您也需要留意，例如盡量避免遞歸調用、盡量減少不必要的參數傳遞等等。不過這些均屬于高性能編程的常識性問題，所以在此我就不再展開闡述了。

高性能表達式實現

其實，現在的編譯器針對表達式級別的優化支持能力已經很強大了，比如說，如果你在編寫代碼的過程中，使用下面的乘法操作：

int y = x * 128;

那么，對于高性能的編譯器（如新版的 GCC 9.x 等）而言，能夠將這個乘法操作優化為移位操作，進而提升執行性能。然而，我們在編碼的過程中，不能完全依賴這種編譯器的能力，因為一方面編譯器的優化能力存在邊界，另一方面在編寫代碼的過程中，編譯器對表達式的優化也只是順便為之。所以在此，我為您總結了高性能表達式實現中幾個較為重要的點，它們均屬于簡單的實現規則，您也可以在編寫代碼的過程中作為參考并加以注意。

第一點，盡量將常量計算放到一起。

比如你可以看看下面的代碼，這是一個包含了 3 個乘法運算的表達式：

int z = 32 * x * 432 * y;

那么，如果將常量乘法計算放到一起，就很容易在編譯期優化掉，從而就可以避免執行時再計算。

第二點，盡量將表達式簡化，從而減少冗余運算開銷。

我們同樣來看一個例子。在下面的這段代碼示例中，兩個表達式的實現邏輯相同，都是先乘法再加法，不過您會發現，第二個表達式少了一次乘法運算，所以它的執行性能會更為出色：

int z = x * x + y *x  ;  //兩個乘法操作，一個加法操作
 int z = x * (x+y); //一個乘法操作，一個加法操作

第三點，盡量減少除法運算。

目前 CPU 中對除法計算的開銷仍然較大，因此倘若能夠優化為移位操作或者乘法操作，那么都能夠提升執行性能。

高性能控制流程實現首先您需要知曉的是，控制流程代碼在執行的過程中，CPU 執行會通過指令分支預測，提前將接下來的執行指令搬移到 Cache 中，如果預測失敗，就有可能導致指令流水線中斷，從而對執行性能產生影響。

所以，您在編寫控制流程代碼時，就需要思考一下怎樣才能更好地實現，以此來優化代碼的執行性能。

那么具體該怎么做呢？在此，我也為您分享一下我在實踐過程中總結的經驗，即盡量減少不必要的分支判斷。這個原則是最為重要、也是最容易被忽略的。為何這么說呢？我們來看一個具體的例子。在下面這段代碼里，您可以發現 x==2 和 x==3 對應的分支場景是相同的，但是它們還是被放置在了兩個代碼分支當中，所以這樣執行起來不但低效，而且還存在重復代碼：

if ( 2 == x ) {   // 場景1
     printf("case 1");
 }
 if ( 3 == x ) {    //場景1
     printf("case 1");
 }
 if ( 4 == x ) {    //場景2
     printf("case 2");
 }

在日常的代碼開發里，由于偷懶不想寫一個組合的邏輯表達式，從而增加分支邏輯的現象，實際上是較為常見的。所以說，我們在實際編寫控制流程代碼的時候，務必要注意盡量減少不必要的代碼分支，如此才能有效地提升執行性能。

然而這里您可能還存在一個問題，那就是如果深入挖掘優化代碼中一些重復的分支邏輯，其中包含的門道還比較多。比如說，通過多態來避免代碼中重復的 switch 分支邏輯，利用表驅動來減少 switch 邏輯和小的 for 循環平鋪執行等等。所以在此，我給您一個小建議，在一些特殊場景下（比如 if 條件嵌套非常多的場景），您可以考慮使用 switch 來替換 if ，這樣也有可能改進代碼的執行性能。