在做软件设计咨询工作时，我常常发现：许多高性能软件产品的研发团队，在软件开发阶段，仅仅关注并实现业务的特性功能。待功能交付后，才花费大量时间对软件代码进行调整优化。
而且，在与这些程序员接触的过程中，我还观察到一个有趣的现象：大家普遍认为，在软件编码实现阶段，过早考虑代码优化意义不大，应等到功能开发完成，再基于打点 Profiling（数据分析）去优化代码实现。
其实，这个想法是否可取，也曾困扰过我。然而，在经历众多由低级编码导致的性能问题后，我发现高性能编码实现极具价值，且能让我更好地处理编码实现优化与 Profiling 优化之间的关系。
建立正确的高性能编码价值观
首先，提及高性能编码，想必您肯定听说过现代计算机科学的鼻祖高德纳（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：我们应该忘掉那些效率低下的事情，告诫自己在 97% 的情况下：过早优化是万恶之源。但是，我们也不应该在关键的 3% 上错过优化机会。——《Computer Programming as an Art (1974)》P671。
不过我认为，或许很多程序员仅仅记住了这句话的前半部分，即 “97% 的情况下，过早优化是万恶之源”，却没有留意到这句话还有后半句：我们不应该放弃掉那关键的 3% 的优化机会。
所以，由此造成的后果是：过度推崇不要对代码进行提前优化，并将此当作编写低性能软件代码的借口。也就是说，当下我们在软件编码过程中所遇到的大多数问题，并非由过早优化所致，而是因为在编写代码时对执行效率缺乏关注所引发的。
其实，在编写代码阶段树立追求高性能实现的意识极为重要，主要有两方面原因。
第一个原因在于，或许原本只是一个细微的编码问题，却有可能引发软件较大的性能问题。例如，我曾经参与的一个 C++ 高性能软件开发项目，由于一位研发人员在编码时不慎遗漏了函数行参的引用符号，致使函数调用开销增大，软件版本性能显著下降。而且这个问题较为隐蔽，我们后续耗费了大量精力，在代码中增添了众多定位手段，才得以发现问题。
第二个原因是，一旦错失高性能编码的时机，将性能问题遗留到软件生命周期的后期，很可能因为错过了当时编写代码的具体情境，后续就难以再察觉这个问题。在此，我再为您举个例子加以说明。
可以看到，在如下所示的代码片段中，这个类的实例在接收数据之后，会更新各个 Channel 中的数据量大小，而后对外提供了一个方法，用于判断所有通道中是否存在数据
public class ChannelGroup {
class Channel{
public String channelname;
public int dataSize;
}
Channel[] channels;
public Channels() {
channels = new Channel[10];
}
public receiveData(...) {....} // 收到数据更新Channel中信息，省略
public boolean hasData() { // 判断所有通道是否有数据。
for (Channel Channel : Channels) {
if (Channel.dataSize > 0){
return true;
}
}
return false;
}
}那么在看完这段代码之后，您认为这段代码实现中的方法 hasData ，能算作高性能实现吗？倘若仅依据这段代码实现来加以分析，会觉得它似乎不存在性能问题。毕竟，对于一个仅有 10 个元素的数组而言，运用二分法查找来提高查找速度的必要性并非很大。
好，我们暂且如此认为，接着再做一个假设：在真实的编写代码过程中，存在这样一个潜在的上下文信息，即在绝大多数业务场景下，是第三个通道收到数据。那么针对这种情况，如果再采用从前向后的顺序遍历，必然不是性能最佳的实现方式，而应当先判断第三个通道中的数据。
所以通过这两个例子，您应该明白了，如果在编码实现阶段并非从高性能实现的角度出发，而是打算在后续通过打点数据分析来优化解决问题，几乎是不太可行的。
实际上，依我的思考和实践经验而言，在开发一个高性能软件系统时，在编码阶段考虑高性能的实现方法，与完成业务功能后再进行代码调优，两者并不冲突，应当同等重视。因为前期的高性能编码实现过程，大多由人主观把控，所以可能会因判断失误或者实现过程中的疏忽，引入一些低效率的代码实现。如此一来，后期通过热点代码分析以及代码调优的过程，是不可省略的。
而且说实话，在我心中，优秀的软件代码应当兼具代码简洁与性能，倘若对编码性能嗤之以鼻，我认为这样的程序员通常也写不出高质量的代码。
好了，在理解了应当如何看待高性能编码之后，接下来的问题便是，如何才能掌握实现高性能编码的方法，下面我们就具体来瞧瞧。
高性能编码实现方法
其实在软件开发的进程中，高性能编码实现的方法与技术繁多，不同的编程语言之间还会存在一定差异，很难在一节课里介绍周全。
所以，今天我主要从编写的代码映射到执行过程的视角，为您介绍四种高性能编码实现方法，以及相应的实现原则和手段，分别是循环实现、函数方法实现、表达式实现以及控制流程实现。
在实际的软件编码过程中，您也能够依照这样的角度和思路，尝试去理解与分析软件代码的运行态过程，逐步积累并完善高性能编码的实现技巧。
好，接下来我们就从循环实现入手，来瞧瞧这种高性能实现的原则和方法。
高性能循环实现
我们都清楚，在编写代码时，循环体内的代码会被多次执行，因而其代码开销会被放大，常常会出现在热点代码当中。也就是说，怎样实现高效循环是达成高性能编码最为关键的一步。
那么，编写高效循环代码的重要参考原则有哪些呢？我觉得主要有两个，下面我们具体来了解一下。
第一点，尽量避免对循环起始条件和终止条件的重复计算。为了让您更轻松地理解这个原则，我先带您来看一个高效循环的反面例子。在下面这个代码示例中，所实现的功能是循环遍历并更新字符串中的值，您会发现，在循环执行的过程中，strlen 被调用了多次，所以性能较低。
void updateStr(char* str)
{
for(int i = 0; i<strlen(str); i++)
{
str[i]= '*';
}
}那么，针对这种情况，我们就应该在循环开始时，将字符串长度值保存在一个变量中，从而避免重复计算。修改好的代码如下：
void updateStr(char* str)
{
int length = strlen(str);
for(int i = 0; i< length; i++)
{
str[i]= '*';
}
}第二点，尽量避免循环体中存在重复的计算逻辑。
我们同样也来看一个反模式的代码示例。在下面这段代码的实现过程中，x*y的值并没有发生变化，但是在循环体中被执行了很多遍。
void initData(int[] data, int length, int x, int y){
for(int i = 0; i < length; i++)
{
data[i] = x * y + 100;
}
}因此，从高性能编码实现的角度出发，我们能够将 x*y 值的计算过程迁移至循环体之外，以此降低这部分的冗余计算开销。实际上到这里，您可以记住这么一句话：编写高效循环代码的本质，就是尽可能让循环体中执行的代码越少越好，剔除掉所有能够冗余的重复计算。
那么在具体的代码实现里，需要检查的循环优化点其实还有众多。例如，您还需要检查是否存在重复的函数调用、多余的对象申请和构造、多余的局部变量定义等等。所以，在编写循环代码时，您需要留意识别并剥离出此类代码实现。
高性能函数方法实现
实现高性能的函数方法，存在两个重要的出发点：尽可能通过内联来降低运行期函数调用，尽可能减少不必要的运行期多态。接下来，我为您讲解一下为何要从这两个点出发，以及应当如何去做。
第一点，尽可能通过内联来降低运行期函数调用。所谓 “通过内联”，指的是将代码直接插入到代码调用中进行执行，从而减少运行期函数调用。那为何要减少生成真实的运行期函数呢？这是由于函数调用自身会产生一些额外的性能开销。在函数调用的过程中，需要先把当前局部变量压栈，在调用结束后还需要出栈操作，同时还需要更新相关寄存器。所以当函数体内部的逻辑较小时，所产生的额外开销所占比例会比较高。因此，对于较小的函数方法，我们应尽量采用内联实现，以此降低不必要的调用开销。
实际上，不同的编程语言，支撑函数方法内联的语法和机制存在一定差异。在 Java 语言的开发过程中，我建议您尽量使用 final 来定义方法，因为在这种场景下，Java 的 JIT 有较大概率将这个代码方法内联掉。而在 C++ 中，针对一些热点小函数，您可以使用 Inline 关键字来定义方法，如此便能明确告知编译器尽量将代码内联掉。补充：在早期 C 语言的开发过程中，由于没有内联语法，程序员常常使用编译宏来定义方法，以此减少真实方法的调用开销。然而，最终编译器或解释器能否将代码内联掉，还存在许多隐性约束条件，所以您在编码实现时需要多加留意。
第二点，尽量减少不必要的运行期多态。
多态的本质即为函数指针，它需要在运行过程中获取内存中变量的值，以此判断代码执行需要跳转至哪个位置。而这种在运行期动态决定跳转地址的情况，极易导致指令集流水线的中断，使得指令 Cache Miss 的概率增加，进而引发性能下降。
不过在 Java 语言中，由于类方法模式均是抽象的，所以我们能够将关键方法定义为静态方法，从而避免多态调用；对于 C++ 而言，在定义类方法时，我们可以依据需求决定是否使用抽象方法，以减少不必要的多态；而在 C 语言中，我们能够通过尽量避免使用不必要的函数指针，来降低运行期多态。
另外，在实现高性能函数方法时，还有一些要点您也需要留意，例如尽量避免递归调用、尽量减少不必要的参数传递等等。不过这些均属于高性能编程的常识性问题，所以在此我就不再展开阐述了。
高性能表达式实现
其实，现在的编译器针对表达式级别的优化支持能力已经很强大了，比如说，如果你在编写代码的过程中，使用下面的乘法操作：
int y = x * 128;那么，对于高性能的编译器（如新版的 GCC 9.x 等）而言，能够将这个乘法操作优化为移位操作，进而提升执行性能。然而，我们在编码的过程中，不能完全依赖这种编译器的能力，因为一方面编译器的优化能力存在边界，另一方面在编写代码的过程中，编译器对表达式的优化也只是顺便为之。所以在此，我为您总结了高性能表达式实现中几个较为重要的点，它们均属于简单的实现规则，您也可以在编写代码的过程中作为参考并加以注意。
第一点，尽量将常量计算放到一起。
比如你可以看看下面的代码，这是一个包含了 3 个乘法运算的表达式：
int z = 32 * x * 432 * y;那么，如果将常量乘法计算放到一起，就很容易在编译期优化掉，从而就可以避免执行时再计算。
第二点，尽量将表达式简化，从而减少冗余运算开销。
我们同样来看一个例子。在下面的这段代码示例中，两个表达式的实现逻辑相同，都是先乘法再加法，不过您会发现，第二个表达式少了一次乘法运算，所以它的执行性能会更为出色：
int z = x * x + y *x ; //两个乘法操作，一个加法操作
int z = x * (x+y); //一个乘法操作，一个加法操作第三点，尽量减少除法运算。
目前 CPU 中对除法计算的开销仍然较大，因此倘若能够优化为移位操作或者乘法操作，那么都能够提升执行性能。
高性能控制流程实现首先您需要知晓的是，控制流程代码在执行的过程中，CPU 执行会通过指令分支预测，提前将接下来的执行指令搬移到 Cache 中，如果预测失败，就有可能导致指令流水线中断，从而对执行性能产生影响。
所以，您在编写控制流程代码时，就需要思考一下怎样才能更好地实现，以此来优化代码的执行性能。
那么具体该怎么做呢？在此，我也为您分享一下我在实践过程中总结的经验，即尽量减少不必要的分支判断。这个原则是最为重要、也是最容易被忽略的。为何这么说呢？我们来看一个具体的例子。在下面这段代码里，您可以发现 x==2 和 x==3 对应的分支场景是相同的，但是它们还是被放置在了两个代码分支当中，所以这样执行起来不但低效，而且还存在重复代码：
if ( 2 == x ) { // 场景1
printf("case 1");
}
if ( 3 == x ) { //场景1
printf("case 1");
}
if ( 4 == x ) { //场景2
printf("case 2");
}在日常的代码开发里，由于偷懒不想写一个组合的逻辑表达式，从而增加分支逻辑的现象，实际上是较为常见的。所以说，我们在实际编写控制流程代码的时候，务必要注意尽量减少不必要的代码分支，如此才能有效地提升执行性能。
然而这里您可能还存在一个问题，那就是如果深入挖掘优化代码中一些重复的分支逻辑，其中包含的门道还比较多。比如说，通过多态来避免代码中重复的 switch 分支逻辑，利用表驱动来减少 switch 逻辑和小的 for 循环平铺执行等等。所以在此，我给您一个小建议，在一些特殊场景下（比如 if 条件嵌套非常多的场景），您可以考虑使用 switch 来替换 if ，这样也有可能改进代码的执行性能。
