C++string优化、map优化、算法优化详细讲解及实例分析
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最近着手去优化项目中一个模块的性能。该模块是用C++实现，对大量文本数据进行处理脱敏。 一开始时，没什么思路，因为不知道性能瓶颈在哪里。于是借助perf工具来对程序进行分析，找出程序的性能都消耗在哪里了。 下面对待优化的程序运行一遍，通过perf统计一下程序中哪些函数运行cpu周期占百分百最多。 我们直接看占用比靠前的这一部分，只需要把这些大头优化好，那么整体的性能就能得到提升。那些本来占用cpu周期很少的函数，再怎么优化都整体的性能也没有很大的改变。 1 Samples: 629K of event 'cpu-clock',Event count (approx.): 157401000000 2 Children Self Command Shared Object Symbol 3 + 8.87% 8.77% mask libc-2.12.so [.] __memcmp_sse4_1 4 + 7.89% 7.79% mask libc-2.12.so [.] _int_malloc 5 + 7.26% 7.18% mask libc-2.12.so [.] malloc 6 + 6.80% 6.73% mask libc-2.12.so [.] _int_free 7 + 4.82% 4.76% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::_Rep::_M_dispose 8 + 4.06% 4.01% mask mask [.] std::_Rb_tree 10 + 3.79% 3.74% mask mask [.] std::_Rb_tree 12 + 2.32% 2.30% mask libc-2.12.so [.] memcpy 13 + 2.27% 2.24% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::assign 14 + 1.89% 1.87% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::compare 15 + 1.56% 1.54% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::append 16 + 1.43% 1.41% mask mask [.] std::map 18 + 1.24% 1.22% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::_M_mutate 19 + 1.20% 1.19% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::_Rep::_M_dispose 20 + 1.19% 1.18% mask libc-2.12.so [.] free 21 + 1.17% 1.15% mask mask [.] cppjieba::Trie::Find 22 + 1.14% 1.13% mask mask [.] util::string::HalfFullTransformer::isRemainFullChar 23 + 1.10% 1.09% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] operator new 24 + 1.03% 1.03% mask [kernel.kallsyms] [k] retint_careful 25 + 0.93% 0.92% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::_Rep::_S_create 26 + 0.92% 0.91% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::_Rep::_M_clone 27 + 0.92% 0.91% mask libc-2.12.so [.] malloc_consolidate 28 + 0.92% 0.91% mask libc-2.12.so [.] __strlen_sse42 29 + 0.85% 0.84% mask libstdc++.so.6.0.19 [.] std::string::reserve 乍一看，基本都是c库和STL库的函数占用了大部分时间，自己实现的函数寥寥无几。 消耗时间最多的就是c库的内存分配和释放函数，再看看第11行，基本可以确认是因为代码中过多使用std::string对象，导致了内存频繁申请和释放。 代码中对字符串的处理，都是使用了string类来处理，我们做不到对string的内部的优化，也很难去实现一个比string很好的类，那么只能从string对象的使用上面入手。 1. string优化1.1 参数的传递使用引用 这里不止是string，当函数参数只是作为输入只读时，就应该使用常量引用传参。避免不必要的对象构造和释放，在传递大的对象时，效果相差很大。 1.2 变量延时定义 string变量的定义，尽可能的放在必须要使用的时候再定义。有时候可能一个判断分支，导致一个预先定义的对象根本就没有使用，那就这个对象的构造和释放就是一个额外的消耗，这种情况必须避免。 1.3string::find() 就是在多次字符串查找时，应该合理记录上一次查找的位置，作为下一次查找的开始位置的依据。在查找同一个值时，不难理解，如果是在字符串中，每次查找不同的值时，可以根据实际情况去处理。比如从一个地址中，先查找“市”再查找“镇”，这种情况就不用每次都从开头开始查找。当字符串很大时，效率提升会比较明显。具体说明时候使用这种处理方法，就需要自己根据实际情况去考虑了。 1.4string拼接与善用reserve()/resize() 字符串拼接是一个很常用的操作，平时简单使用时，也不行要太多注意，怎么简单怎么来。但是，在处理大字符串时，效率就跟不上来了。 例如，需要对数据库表的每一行数据拼接成一个字符串，行数据可能很大。在不断循环表行数进行拼接时，使用string重载的+操作就显得太慢了。string对象默认初始化的空间比较小，可能每次调用+操作时都需要重新分配空间。这样当拼接一个大字符串时，就需要分配释放多次空间，还需要进行内存拷贝，这是非常耗时的。 我们应该在定义string对象时，直接指定分配空间的大小，这个值可以通过预估出来或者通过计算的来。 // 定义时 std::string str(1024,0); // reserve() str.reserve(1024); // size() str.resize(1024); 如果string对象时新定义的，可以直接调用构造函数来预分配空间大小。如果string对象已经定义了，可以使用reserve()来分配一个指定大小的空间。 当预设好string对象的空间大小后，自己去用memcpy()和string::resize()去实现字符串拼接操作，这样效率上比用string的+操作要快。 1.5 string的Copy-On-Write机制 当string赋值或者拷贝时都是浅拷贝，两个string对象的实际存储字符串的地址是同一个，string中用一个引用计数的变量，来记录当前有多少个string对象使用同一个字符串存储空间，类似于共享指针。当string对象需要修改时，这个时候才会重新分配一个空间，并把字符串拷贝到新空间，string对象指向新的空间，在新的地址空间中对字符串进行修改，这就是Copy-On-Write的意思。 2.map优化看到perf的分析报告，其中第8、10、16行，看到一些红黑树查找和map的operator[]使用的cpu周期占用的也挺多。由于脱敏中使用到脱敏映射表都是用std::map来实现，std::map内部是用红黑树来实现的，查找效率会比较慢。鉴于映射表中，不需要顺序保存，所以用查找效率更高的boost::unordered_map来代替std::map。 map的内部实现是二叉平衡树(红黑树)；unordered_map内部是一个hash_table。map是一个有序的容器，提供了稳定的插入删除查找效率，内存占用也相对较小；而unordered_map是无序容器，可以快速插入删除，查找效率也比map快，只是内存会占用得多一点。 2.1unordered_map替换map 在程序中，原来字典的映射表都是由map来实现的，这里把字典相关的映射表都改为用unordered_map代替。这样在脱敏的时候，通过映射表查找脱敏字符串时的效率有很大提升。 2.2 小心map::operator[]() map的operator[]()函数有个特性，当调用map[key]时，如果key在map中不存在，则会在map中插入一个键值对，键为key，值则默认构造一个值。map的operator[]()用起来是很方便，但是一但不注意，引入了map中不应该存在的值，很有可能就会带来一些不必要的麻烦。看下面的代码： void Children:set(std::map Parent::set(ret); if(!ret["error"].empty()){ return; } } int main() { Children ch; std::map ch.set(ret); if(ret.find("error") != ret.end()){ std::cout << "error" << std::endl; } } 子类调用了父类的set()函数后，判断结果是否有错误。这里使用了map::operator[]()，就会有问题，在外部调用了子类的set()函数后，判断返回结果集中是否存在"error"的元素，最终结果输出"error"。 所以在使用map的operator[]()函数时，一定要小心。除非你很明确知道这个key是在map中存在的，否则不要直接调用operator[]()。而应该先通过find()函数查找key是否存在于map中，再去获取key的值。 2.3 find()与operator[]()之间的使用 map并不是一个顺序容器，map的[]操作与数组的[]操作不一样。map的operator[]()与find()的实现差不多，通过参数key查找到map中的键值对并返回不同的值，只不过operator[]()在map查找不到时会插入一个键值对。 int getValue(int key){ if(map.find(key) != map.end()){ return map[key]; } return 0; } 上面的代码，在调用operator[]()前，先用find()函数确保key存在map中，避免了2.2中提到的问题。但是在效率上却慢了，find()和operator[]()中都有查找算法，这里获取一个值就查找了两遍，这是不应该的。应改为一下这种写法： int getValue(int key){ std::map if(it != map.end()){ return it->second; } return 0; } 2.4 map::end()优化 1 std::map 2 int sum(std::vector 3 size_t size = vecKey.size(); 4 int sum = 0; 5 for(size_t i = 0; i < size; ++i){ 6 std::map 7 if(it != mapKV.end()){ 8 sum += it->second; 9 } 10 } 11 return sum; 12 } 当程序中需要多次从map中查找元素时，每一次都需要查找并判断元素是否存在。再上面的代码中第7行判断元素是否存在时，每一次都需要调用end()函数获取map的结束迭代器。还有每次查找中，都需要创建一个迭代器来结束查找的值。这些地方都可以优化，优化如下： 1 std::map 2 int sum(std::vector 3 size_t size = vecKey.size(); 4 int sum = 0; 5 std::map 6 std::map 7 for(size_t i = 0; i < size; ++i){ 8 it = mapKV.find(vecKey[i]); 9 if(it != itEnd){ 10 sum += it->second; 11 } 12 } 13 return sum; 14 } 在循环体外，先定义两个迭代器，并设置为map的结束迭代器，这样可以避免在循环体内中多次后去map的结束迭代器，提升效率。 3. 算法优化3.1 全角字符查找 3.2 utf8字符字节数计算 3.3 数字字母字符判断 3.4 函数变量静态化 3.5 空间换时间 3.6函数按“完美”数据实现逻辑处理 （编辑：李大同） 【声明】本站内容均来自网络，其相关言论仅代表作者个人观点，不代表本站立场。若无意侵犯到您的权利，请及时与联系站长删除相关内容! |