C++ 进阶面试题, C++ 如何进行性能优化?

Step 1

Q:: C++中有哪些常见的性能优化手段？

A:: C++中的性能优化手段包括但不限于：1. 使用合适的数据结构，例如选择std::vector代替std::list以减少内存分配和缓存未命中的次数；2. 避免不必要的拷贝操作，例如使用std::move进行移动语义优化；3. 在合适的场景下使用多线程或异步编程来提高并行性；4. 使用合适的编译器优化选项，例如-O2或-O3；5. 减少函数调用的层级，尤其是在递归函数中；6. 使用缓存友好的数据布局；7. 避免频繁的内存分配和释放操作，可以使用对象池来复用内存。

Step 2

Q:: 如何使用C++11/14/17的新特性来优化性能？

A:: C++11/14/17引入了许多可以帮助优化性能的新特性，例如：1. 移动语义（Move Semantics）可以减少不必要的拷贝操作；2. 使用std::shared_ptr和std::unique_ptr进行智能指针管理，减少手动内存管理带来的性能开销和内存泄漏风险；3. lambda表达式可以减少不必要的函数对象的定义；4. constexpr关键字可以在编译时进行计算，减少运行时的计算开销；5. 使用decltype和auto关键字可以让编译器自动推导类型，减少代码冗余并提高编译效率。

Step 3

Q:: C++中的内存管理机制对性能的影响有哪些？

A:: C++的内存管理机制对性能的影响主要体现在：1. 动态内存分配和释放操作（例如new和delete）开销较大，频繁的内存操作会导致性能下降；2. 使用智能指针可以减少内存泄漏的风险，但也会引入一定的性能开销，尤其是std::shared_ptr的引用计数操作；3. 缓存未命中会影响性能，因此需要合理安排数据结构的内存布局以提高缓存命中率；4. 内存碎片化问题会导致内存利用率下降和性能波动。

Step 4

Q:: C++中的内联函数如何帮助提升性能？

A:: 内联函数通过避免函数调用的开销（例如压栈、跳转等）来提升性能，尤其是在小型、频繁调用的函数中效果显著。C++中的inline关键字可以提示编译器将函数内联化，但具体是否内联化仍取决于编译器的决策。此外，在模板元编程中，内联化对于减少模板实例化带来的额外开销也有帮助。然而，过度使用内联函数可能导致代码膨胀（代码尺寸增加），从而影响指令缓存的效率，反而可能降低性能。

Step 5

Q:: 什么是C++中的缓存友好型代码，如何编写？

A:: 缓存友好型代码是指优化内存访问模式以提高缓存命中率的代码。提高缓存命中率有助于减少内存访问的等待时间，从而提升程序的整体性能。要编写缓存友好型代码，可以遵循以下原则：1. 按照内存布局的顺序访问数据，避免跳跃式访问；2. 使用连续的内存块（例如std::vector代替std::list）；3. 减少缓存未命中的数据访问，例如在多维数组中优先访问行数据；4. 避免频繁的缓存刷新操作。