C++ Footprint and Performance Optimization pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Pearson Education

作者:Rene Alexander

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:2000-09-20

价格:USD 49.99

装帧:Paperback

isbn号码:9780672319044

丛书系列:

图书标签:

• C++
• C++
• 性能优化
• 内存管理
• 代码质量
• 可维护性
• 效率
• 优化技巧
• 系统编程
• 嵌入式开发
• 软件工程
• 调试

探索数字世界的效率密码：深入理解与优化 C++ 程序性能 您是否曾经面对过这样的困境：辛辛苦苦编写的代码，在实际运行中却总是慢人一步，资源消耗也居高不下？您是否对那些能够以极高效率运行的软件赞叹不已，却又找不到其中的奥秘？在当今数字浪潮奔涌、对算力需求与日俱增的时代，软件的性能不再仅仅是锦上添花，而是决定成败的关键要素。尤其是对于 C++ 这样强大而又底层的语言，如何榨干硬件的每一分潜力，让代码在有限的资源下迸发出惊人的能量，是每一位 C++ 开发者都需要深思熟虑的课题。 本书并非探讨 C++ 语言本身的标准语法、特性更新，或是某些特定库的用法。我们关注的焦点，是隐藏在这些表面之下的更深层次的优化艺术。它将引导您穿越代码的表象，直达 C++ 程序运行的本质，理解程序在现代计算机硬件上是如何被执行的，以及其中潜藏的性能瓶颈所在。这本书的目标是为您提供一套系统性的方法论和一系列切实可行的技术，帮助您成为一名更高效、更有竞争力的 C++ 开发者，能够构建出真正精炼、快速且资源友好的软件。 为何性能优化如此重要？ 在快速迭代的开发周期中，性能往往容易被忽视，尤其是在原型开发阶段。然而，一旦产品走向市场，性能问题就会如影随形，带来一系列负面影响： 用户体验下降： 缓慢的响应速度、卡顿的界面，直接导致用户流失和不满。 运营成本增加： 消耗更多 CPU、内存、网络带宽，意味着更高的服务器租赁费用、电力消耗，以及更长的等待时间。 功能受限： 性能瓶颈可能限制了产品功能的扩展和复杂度的提升，使其无法满足日益增长的用户需求。 生态竞争力弱化： 在同类产品中，性能更优者往往能获得更多青睐，在市场竞争中占据优势。 本书将带您深入哪些领域？ 本书的精髓在于其“深入”二字。我们不会停留在表面上的“改写循环”、“避免内存拷贝”等简单技巧，而是从计算机体系结构和 C++ 语言特性的交汇点出发，揭示性能优化的深层逻辑。 1. 深入理解 C++ 内存模型与缓存一致性： 现代 CPU 的性能很大程度上依赖于其复杂的缓存机制。数据在内存和 CPU 寄存器之间的高速流动，是决定程序速度的关键。本书将详细阐述： CPU 缓存的工作原理： L1、L2、L3 缓存的层级结构，缓存行（cache line）的概念，以及数据在缓存中的加载、存储与失效过程。 内存访问模式对缓存的影响： 顺序访问（spatial locality）和时间局部性（temporal locality）如何影响缓存命中率。 缓存抖动（cache bouncing）与伪共享（false sharing）： 多线程环境下，不当的内存访问可能导致缓存行在多个 CPU 核心之间频繁切换，严重拖慢性能。我们将探讨如何识别和规避这些问题，例如通过数据对齐、填充（padding）等技术。 C++ 内存序（memory ordering）： 在多线程编程中，理解不同内存序的含义及其对编译器和 CPU 乱序执行的影响，对于编写正确且高效的并发代码至关重要。 2. 掌握数据结构的性能特性： 不同的数据结构在内存布局、访问速度、插入/删除效率等方面有着天壤之别。本书将超越 STL 的表面 API，深入分析： 数组与向量（`std::vector`）的性能剖析： 连续内存带来的缓存友好性，动态扩容的成本，以及随机访问的优势。 链表（`std::list`）的优劣势： 插入/删除的 O(1) 复杂度，但由于节点分散在内存各处，缓存不友好，随机访问效率低。 树形结构（如 `std::map`, `std::set`, `std::unordered_map`, `std::unordered_set`）的底层机制： 红黑树（`std::map`, `std::set`）的平衡性与对数级复杂度，以及其在内存分配上的开销。 哈希表（`std::unordered_map`, `std::unordered_set`）的平均 O(1) 复杂度，以及哈希函数选择、冲突处理（链地址法、开放寻址法）对性能的影响。 位图（bitmaps）、跳表（skip lists）等非常规数据结构的应用场景与性能考量。 3. 剖析算法的计算复杂度与实际性能： 虽然算法的 O(n)、O(n log n) 等复杂度描述了其理论效率，但在实际应用中，常数因子、分支预测、内存访问模式等都会对最终性能产生显著影响。本书将： 深入分析常见排序算法（如快速排序、归并排序）的实现细节与缓存优化。 探讨查找算法（如二分查找）在不同数据结构上的性能表现。 理解如何根据数据特性选择最合适的算法，并针对性地进行优化。 4. 优化 C++ 语言特性在性能上的表现： C++ 提供了丰富的语言特性，但并非所有特性都对性能友好。本书将引导您： 理解函数调用的开销： 栈帧的创建与销毁，参数传递的开销（值传递、引用传递、指针传递），以及内联（inline）函数的作用与限制。 虚函数与多态的性能成本： vtable 的查找开销，以及如何在性能敏感的代码中权衡多态的灵活性与性能。 RAII（Resource Acquisition Is Initialization）与异常处理的性能影响： 理解其设计哲学，以及在极端性能要求下是否需要进行权衡。 模板元编程（template metaprogramming）的编译时性能优势与运行时开销。 5. 揭秘编译器优化： 编译器是 C++ 开发者最得力的助手之一，它能够自动进行大量的优化。本书将帮助您： 理解常见的编译器优化选项： `-O1`, `-O2`, `-O3`, `-Os` 等的含义，以及它们如何影响代码生成。 探究编译器是如何进行常量折叠、循环展开、死代码消除、函数内联等优化的。 学习如何编写易于编译器优化的代码，避免“误导”编译器。 理解 Profile-Guided Optimization (PGO) 的威力。 6. 性能剖析工具与调试技巧： 理论知识需要实践检验。本书将介绍： 常用的性能剖析工具： 如 `gprof`, `perf`, `Valgrind` (特别是 `callgrind` 和 `cachegrind`)，以及 Visual Studio 的性能分析器。 如何利用这些工具定位性能瓶颈，找到代码中的“热点”。 微基准测试（microbenchmarking）的正确实践方法，避免陷入误区。 如何结合代码审查与性能剖析，进行迭代式优化。 7. 现代 C++ 特性的性能考量： 随着 C++ 标准的不断演进，新的特性层出不穷。本书也将探讨： C++11/14/17/20 新特性（如右值引用、移动语义、lambda 表达式、并发原语、协程等）在性能上的影响。 如何利用这些新特性编写更简洁、更安全，同时性能更优的代码。 一些“高性能”特性背后的潜在陷阱。 本书适合谁？ 有一定 C++ 基础，希望进一步提升代码性能的开发者。 从事性能敏感型应用开发的工程师，如游戏开发、高性能计算、嵌入式系统、操作系统等。 对计算机底层原理和硬件工作方式感兴趣的 C++ 学习者。 希望写出更高效、更健壮 C++ 代码的每一位 C++ 程序员。 本书的目标： 本书的目标不是为了让您成为一名“极限优化者”，而是为了培养您对 C++ 程序性能的深刻理解和系统性的优化思维。通过学习本书，您将能够： 自信地识别代码中的性能瓶颈。 掌握一套行之有效的性能优化方法论。 理解不同 C++ 特性、数据结构、算法和编译器优化在性能上的权衡。 编写出更具竞争力的 C++ 代码，提升您的职业技能和项目成功率。 踏上这段探索 C++ 效率密码的旅程，您将不仅仅是学习一些技巧，更是建立一种对程序运行本质的深刻洞察。让我们一起，将 C++ 的强大力量，转化为无与伦比的性能表现。

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这本书的叙事风格非常严谨，它仿佛是在带领读者进行一次深入的考古发掘，而不是轻松的知识分享。它要求读者具备扎实的C++基础，尤其是对指针、引用和模板元编程有一定的掌握，否则阅读起来可能会感到吃力。然而，正是这种深度，使得它在处理并发和并行优化时显得尤为强大。关于原子操作（Atomics）和内存屏障（Memory Barriers）的章节，我个人认为价值最高。作者清晰地解释了“顺序一致性”（Sequential Consistency）的昂贵代价，并详细对比了“松散一致性”模型下的各种优化方案，如`std::memory_order_relaxed`的正确使用场景。书中通过几个复杂的竞态条件（race condition）实例，展示了如何使用内存顺序参数来微调同步粒度，避免不必要的CPU缓存锁。我曾在一个多线程日志系统中遇到了难以追踪的死锁/活锁问题，正是书中关于内存模型不一致导致的数据损坏的案例，点醒了我对特定写入顺序的重视，最终成功定位并修复了那个隐藏极深的Bug。这本书对并发程序员的价值，是无法用语言完全衡量的。

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作为一名资深C++工程师，我接触过不少声称能“优化性能”的书籍，但大部分都停留在设计模式或者算法复杂度分析的层面，真正深入到语言实现细节，能指导我进行极端优化实践的实在不多。这本书的独特之处在于，它没有回避那些枯燥但又极其重要的细节，比如虚函数表（vtable）的查找开销、模板实例化对最终二进制大小和链接时间的影响，乃至如何巧妙地利用移动语义（move semantics）来避免不必要的内存拷贝。其中关于“零开销抽象”（zero-overhead abstraction）哲学在现代C++中的具体体现，分析得极其到位。我尤其欣赏作者对不同编译器（GCC、Clang、MSVC）在特定优化标志下生成代码差异的对比分析，这说明作者在编写时是基于大量的实际测试数据，而不是泛泛而谈。阅读完相关章节后，我重新审视了我们代码库中一些“约定俗成”的宏和内联函数的使用方式，发现了不少潜在的性能陷阱，并成功地规避了它们。这本书更像是一本高级工具手册，而不是一本入门指南。

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这本书在内存管理和底层机制的剖析上可谓是独树一帜，它没有停留在C++语言特性表面的介绍，而是深入到编译器的行为和硬件的交互层面，这对于想写出真正高效代码的开发者来说，是不可多得的宝藏。作者对堆（heap）和栈（stack）的理解非常透彻，书中关于动态内存分配器（如jemalloc或tcmalloc的原理简述）的章节，让我对那些看似抽象的性能瓶颈有了具象化的认识。特别是关于对象布局（object layout）和缓存行填充（cache line padding）的讨论，简直是教科书级别的。我尝试着将书中的某些技巧应用到我们项目中一个性能瓶颈模块的重构中，仅仅是调整了几个关键类的成员变量顺序，就带来了立竿见影的提升，这比单纯优化算法带来的效果更为显著，因为这触及了CPU访问数据的最底层逻辑。如果你的目标是达到接近汇编级别的性能调优，这本书提供的视角和工具链分析是至关重要的。它迫使你跳出“面向对象”的舒适区，去直面计算机的物理限制。

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与市面上很多专注于新标准特性的书籍不同，这本书的关注点似乎更偏向于“遗留系统的高效化”和“极致性能的挖掘”。它很少提及C++20或C++23的新鲜玩意儿，而是聚焦于如何榨干C++11/14/17时代的强大功能。这种“回归本源”的视角非常宝贵，因为它教会我们，性能的提升往往不是靠引入新语法，而是靠对现有机制的深刻理解和精准控制。举例来说，关于虚函数调用的间接寻址开销分析，作者给出了一个量化的模型，说明在何种调用频率下，使用模板特化或CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）替代多态会带来的实际收益。对于那些需要维护大型、稳定、并且对延迟要求极高的系统（比如金融交易系统或实时渲染引擎）的开发者来说，这种“成本效益分析”是非常实用的决策依据。它提供了一种系统化的思维方式，让你在面对架构选择时，能够用性能数据说话，而不是凭感觉做决定。

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这本书的排版和图表设计也值得称赞，尽管内容本身非常技术化，但作者使用了大量清晰的流程图和汇编代码片段来辅助理解复杂的优化流程。例如，书中对RAII（Resource Acquisition Is Initialization）在异常安全和资源释放方面的应用，不仅仅停留在理论层面，而是通过一个复杂的析构函数调用链展示了其在栈展开过程中的精确行为。此外，作者对编译时计算（Compile-Time Computation）的探讨也极其深入，特别是关于`constexpr`在模板元编程中的替代作用，以及如何利用它来消除运行时的开销。我特别喜欢它讨论的关于“代码膨胀”（Code Bloat）的权衡：某些极端优化（比如大量模板特化）可能会增加编译时间和最终二进制体积，这本书客观地指出了这些潜在的负面影响，并提供了衡量标准。总的来说，这是一本能让你的C++技能从“能用”提升到“精通”的进阶读物，它不仅告诉你“怎么做”，更解释了“为什么这么做是最高效的”。

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