从汇编角度看编译器优化 by 彭于斌（ @archibate ） 往期录播： https://www.bilibili.com/video/BV1fa411r7zp 课程 PPT 和代码： https://github.com/parallel101/course 高性能并行编程与优化 - 课程大纲 • 分为前半段和后半段，前半段主要介绍现代 C++ ，后半段主要介绍并行编程与优化。 1 1.课程安排与开发环境搭建： cmake 与 git 入门 2.现代 C++ 入门：常用 STL 容器， RAII 内存管理 3.现代 C++ 进阶：模板元编程与函数式编程 4.编译器如何自动优化：从汇编角度看 C++ 5.C++11 起的多线程编程：从 mutex 到无锁并行 6.并行编程常用框架： OpenMP 与 Intel TBB 7.被忽视的访存优化：内存带宽与 cpu 缓存机制 x64 架构下的寄存器模型 通用寄存器： 32 位时代 • 32 位 x86 架构中的通用寄存器有： • eax, ecx, edx, ebx, esi, edi, esp, ebp • 其中 esp 是堆栈指针寄存器，和函数的调用与返回相关。 • 其中 eax 是用于保存返回值的寄存器。 通用寄存器： 64 位时代 • 64 位 x86 架构中的通用寄存器有： • rax, rcx

，后半段主要介绍并行编程与优化。 1.课程安排与开发环境搭建： cmake 与 git 入门 2.现代 C++ 入门：常用 STL 容器， RAII 内存管理 3.现代 C++ 进阶：模板元编程与函数式编程 4.编译器如何自动优化：从汇编角度看 C++ 5.C++11 起的多线程编程：从 mutex 到无锁并行 6.并行编程常用框架： OpenMP 与 Intel TBB 7.被忽视的访存优化：内存带宽与 cpu 义，实现在另一个文件时！ C++ 思想： RAII （ Resource Acquisition Is Initialization ） 资源获取视为初始化，反之，资源释放视为销毁 C++ 除了用于初始化的构造函数（ constructor ） 还包括了用于销毁的解构函数（ destructor ） 离开 {} 作用域自动释放 手动释放 RAII ：避免犯错误 与 Java ， Python 等垃圾回收语言不同， ：离不开构造函数 • 如题，那么如何定义构造函数呢？ BV1h64y197Fd 自定义构造函数：无参数 自定义构造函数：无参数（使用初始化表达式） 为什么需要初始化表达式？ 1. 假如类成员为 const 和引用 2. 假如类成员没有无参构造函数 3. 避免重复初始化，更高效 自定义构造函数：多个参数 自定义构造函数：单个参数 自定义构造函数：单个参数（陷阱） 自定义构造函数：单个参数（避免陷阱）

标准库五大件：容器（ container ） C++ 标准库五大件：迭代器（ iterator ） C++ 标准库五大件：算法（ algorithm ） C++ 标准库五大件：仿函数（ functor ） C++ 标准库五大件：分配器（ allocator ） 侯捷 STL 侯捷 STL vector 容器 vector 容器：构造函数 • vector 的功能是长度可变的数组，他里面的数据 vector 是一个模板类，第一个模板参数是数组里 元素的类型。 • 例如，声明一个元素是 int 类型的动态数组 a ： • vector a; vector 容器：构造函数和 size • vector 可以在构造时指定初始长度。 • explicit vector(size_t n); • 例如，要创建一个长度为 4 的 int 型数组 ： • vector a(4); 函数会检测索引 i 是否越界，如果他 发现索引 i >= a.size() 则会抛出异常 std::out_of_range 让程序提前终止（或者被 try-catch 捕获），配合任意一款调试器，就可 以很快速地定位到出错点。 • 不过 at 需要额外检测下标是否越界，虽然更安 全方便调试，但和 [] 相比有一定性能损失。 • int &at(size_t i); • int const

，后半段主要介绍并行编程与优化。 1.课程安排与开发环境搭建： cmake 与 git 入门 2.现代 C++ 入门：常用 STL 容器， RAII 内存管理 3.现代 C++ 进阶：模板元编程与函数式编程 4.编译器如何自动优化：从汇编角度看 C++ 5.C++11 起的多线程编程：从 mutex 到无锁并行 6.并行编程常用框架： OpenMP 与 Intel TBB 7.被忽视的访存优化：内存带宽与 cpu 为什么需要多线程：无阻塞多任务 • 我们的程序常常需要同时处理多个任务。 • 例如：后台在执行一个很耗时的任务，比 如下载一个文件，同时还要和用户交互。 • 这在 GUI 应用程序中很常见，比如浏览 器在后台下载文件的同时，用户仍然可以 用鼠标操作其 UI 界面。 没有多线程：程序未响应 • 没有多线程的话，就必须等文件下载完了 才能继续和用户交互。 • 下载完成前，整个界面都会处于“未响应”状 态，用户想做别的事情就做不了。 现代 C++ 中的多线程： std::thread • C++11 开始，为多线程提供了语言级别的 支持。他用 std::thread 这个类来表示线 程。 • std::thread 构造函数的参数可以是任意 lambda 表达式。 • 当那个线程启动时，就会执行这个 lambda 里的内容。 • 这样就可以一边和用户交互，一边在另一 个线程里慢吞吞下载文件了。 错误：找不到符号

文件，和 .cpp 一样。 https://www.nvidia.cn/docs/IO/51635/NVIDIA_CUDA_Programming_Guide_1.1_chs.pdf CUDA 编译器兼容 C++17 • CUDA 的语法，基本完全兼容 C++ 。包括 C+ +17 新特性，都可以用。甚至可以把任何一个 C++ 项目的文件后缀名全部改成 .cu ，都能编 译出来。 • 这是 里去。 • 因此 CUDA 编译器提供了一个“私货”关键字： __inline__ 来 声明一个函数为内联。不论是 CPU 函数还是 GPU 都可以使 用，只要你用的 CUDA 编译器。 GCC 编译器相应的私货则 是 __attribute__((“inline”)) 。 • 注意声明为 __inline__ 不一定就保证内联了，如果函数太大编 译器可能会放弃内联化。因此 CUDA 还提供 #ifdef 指令针对 CPU 和 GPU 生成不同的代码 • CUDA 编译器具有多段编译的特点。 • 一段代码他会先送到 CPU 上的编译器（通常是系统自带的编译 器比如 gcc 和 msvc ）生成 CPU 部分的指令码。然后送到真 正的 GPU 编译器生成 GPU 指令码。最后再链接成同一个文件 ，看起来好像只编译了一次一样，实际上你的代码会被预处理很 多次。 • 他在 GPU 编译模式下会定义

https://www.bilibili.com/video/BV1m34y157wb 课程安排 1. vector 容器初体验 & 迭代器入门 (BV1qF411T7sd) 2. 你所不知道的 set 容器 & 迭代器分类 (BV1m34y157wb) 3. string ， string_view ， const char * 的爱恨纠葛 ( 本期 ) functor 与 lambda 表达式知多少 6. 通过实战案例来学习 STL 算法库 7. C++ 标准输入输出流 & 字符串格式化 8. traits 技术，用户自定义迭代器与算法 9. allocator ，内存管理与对象生命周期 ASCII 码 第 1 章 计算机如何表达字符 https://zh.wikipedia.org/wiki/ASCII 计算机如何表达字符 这些整数，而 8 位整数的表示范围是 2^8 也就是 0~255 ，足以表示所有 ASCII 字符了（多余的部分实际上被用于表示 中文）。 • char 和整数无异，例如 ‘ a’ 实际上会被编译器翻译成他对应的 ASCII 码： 97 。写 ‘ a’ 和写 (char)97 是完全一样的，方便阅读的语法糖而已。 “char 即整数”思想应用举例 “char 即整数”思想应用举例 C 语言帮手函数

set 容 器 by 小彭老师（ @archibate ） 课件 & 代码： https://github.com/parallel101/course 上期回顾： https://www.bilibili.com/video/BV1qF411T7sd 课程安排 1. vector 容器初体验 & 迭代器入门 (BV1qF411T7sd) 2. 你所不知道的 set 容器 & 迭代器分类 ( 容器全家桶及其妙用举例 5. 函子 functor 与 lambda 表达式知多少 6. 通过实战案例来学习 STL 算法库 7. C++ 标准输入输出流 & 字符串格式化 8. traits 技术，用户自定义迭代器与算法 9. allocator ，内存管理与对象生命周期 set 和 vector 的区别 • 都是能存储一连串数据的容器 。 • 区别 1 ： set 会自动给其中的 元素从小到大排序，而 vector 迭代器的共同点 • 上节课讲了迭代器： vector 具 有 begin() 和 end() 两个成 员函数，他们分别返回指向数 组头部元素和尾部再之后一格 元素的迭代器对象。 • vector 作为连续数组，他的迭 代器基本等效于指针。 • set 也有 begin() 和 end() 函数，他返回的迭代器对象重 载了 * 来访问指向的地址。 迭代器的五大分类 提供的运算符重载

深拷贝： 思考：能不能把拷贝构造函数也作为虚函数？ • 现在我们的需求有变，不是去对同一个对象调用两次 eatTwice ，而是先把对象复制一份 拷贝，然后对对象本身和他的拷贝都调用一次 eatFood 虚函数。 • 代码如下，这要怎么个封装法呢？你可能会想，是不是可以把拷贝构造函数也声明为虚函 数，这样就能实现了拷贝的多态？不行，因为 C++ 规定“构造函数不能是虚函数”。 模板函数？未免有些差强人意 make_shared 的参数有 Derived ， this 指针（原本是 IObjectClone const * 类型）也需要转化成 Derived 的指针才能调用 Derived 的拷贝 构造函数 Derived(Derived const &) 。 CRTP (Curiously Recurring Template Pattern / 奇异递归模板模 式 ) • 形如 struct 生类的某些函数（我们这个例子中是拷贝构造函数）。 • 我们的目的是让基类能调用派生类的函数，其实本来是可以通过虚函数的，但是： • 1. 虚函数是运行时确定的，有一定的性能损失。 • 2. 拷贝构造函数无法作为虚函数。 • 这就构成了 CRTP 的两大常见用法： • 1. 更高性能地实现多态。 • 2. 伺候一些无法定义为虚函数的函数，比如拷贝构造，拷贝赋值等。 • https://www

能不能在遍历的同时删除元素？安全吗？ emplace ， emplace_hint ， try_emplace 的区别？ 课程安排 1. vector 容器初体验 & 迭代器入门 (BV1qF411T7sd) 2. 你所不知道的 set 容器 & 迭代器分类 (BV1m34y157wb) 3. string ， string_view ， const char * 的爱恨纠葛 (BV1ja411M7Di) 4 本期 ) 5. 函子 functor 与 lambda 表达式知多少 6. 通过实战案例来学习 STL 算法库 7. C++ 标准输入输出流 & 字符串格式化 8. traits 技术，用户自定义迭代器与算法 9. allocator ，内存管理与对象生命周期 10. C++ 异常处理机制的前世今生 我们都要认真鞋习哦 我们都要认真鞋习哦 第一章：读取与写入 我负责监督你鞋习 ! 我负责监督你鞋习 类型 C++ 代码 key 已存在 key 不存在 读取 val = m.at(key) 读取这个值 抛出 out_of_range 异常 val = m[key] 读取这个值 创建并零初始化（默认构造函数） 写入 m[key] = val 覆盖旧值 创建并写入值 m.at(key) = val 覆盖旧值 抛出 out_of_range 异常 判断 if (m.count(key)) 返回 1

是负数，则得到的模也是负数。 Python 的 % 就没问题 • 7 % 4 = 3 • -7 % 4 = 1 • Python 的模运算 a % b 的值始终是 [0, b) 区间内的正数，非常方便。 对稀疏数据结构造成的问题 • 如果这里的 x 是负数，则 x % B 也是负数，会造成对 m_block 的越界访问。 • 因此 % 会返回负数对 CFD 用户来说是个很大的坑点，很多人想当然地用 % 做循环边界， b) % b 做循环边界 ，从而避免负方向上出错。然而这还是避免不了 a < -b 时的出错。 • 正确的写法是： (a % b + b) % b • 如果 b 是常数且为 2 的幂次方，编译器会检测到， 并替换为更高效的位运算，反而减少了计算量。 • 此外如果 b 一定是 2 的幂次方，那么 (unsigned)a % b 也可以（先转换成无符号的取模）。 高效的解决：位运算 & 是正数，则是向下取整。 Python 的 // 就没问题 • 7 // 4 = 1 • -7 // 4 = -2 • Python 的整除运算 a // b 的值始终是向下取整，非常方便。 对稀疏数据结构造成的问题 • 也就是说，如果 x 是 [-3,0] 则 x / B 会是 0 ，如果 x 是 [0,3] 则 x / B 也是 0 。导致两个 同时跑到一个 block 上去，会出错。 高效的解决：位运算