張合花，張全法，馬 冰

(鄭州大學(xué) 物理工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

C/C++程序可以獲得很高的運行速度，而許多情況下對程序的運行速度有著很高的要求，特別是需要實時處理大量信息的時候。但是C/C++程序?qū)懗龊笸€需要進行優(yōu)化來提高速度。常用的優(yōu)化技巧包括：盡量采用自增、自減運算和賦值縮寫，利用指針法訪問數(shù)組，合理使用內(nèi)聯(lián)函數(shù)和寄存器變量，采用位運算代替一些乘法或除法運算，盡可能將浮點數(shù)運算轉(zhuǎn)化為整數(shù)運算，正確運用內(nèi)存拷貝函數(shù)，等等[1-4]。

對程序優(yōu)化后通常需要測試運行速度，以便確認(rèn)取得了優(yōu)化效果并了解優(yōu)化程度。文獻[5]通過編程測試程序運行時間，這非常麻煩，并且僅適用于它小于一個時間片。實際上，VC 6.0作為許多高校教學(xué)平臺程序員慣用的開發(fā)工具，其內(nèi)部集成了一個使用非常方便的測試工具，可以用來測試程序中各個函數(shù)的執(zhí)行時間，已經(jīng)在不少方面獲得了應(yīng)用[3-4]。然而實驗證明，在某些情況下該工具所給的測試數(shù)據(jù)非常不可靠。為此，提出了獲得具有更高可信度之函數(shù)執(zhí)行時間的方法。

1 實驗用程序及集成測試工具使用方法

1.1 實驗用程序

利用VC 6.0新建Win32 Console Application類型的空白項目，然后添加頭文件MyClass.h，內(nèi)容如下(為節(jié)省篇幅，對代碼做了盡可能的簡化，并利用先注釋掉部分代碼再逐步修改的方法，將本研究所用的多個程序揉和在了一起，下同)：

externint x;

classA{public:

//A(){a = x++;}

//標(biāo)記①

//～A(){a = 0;}

//標(biāo)記②

//A();

//標(biāo)記③

//～A();

//標(biāo)記④

int a;};

class B{int b;};

接著添加源文件MyClass.cpp，內(nèi)容如下：

#include "MyClass.h"

//A::A(){a = x++;}

//標(biāo)記⑤

//A::～A(){a = 0;}

//標(biāo)記⑥

最后添加源文件main.cpp，內(nèi)容如下：

#include

#include "MyClass.h"

using namespace std;

int x = 1;

voidfunc(){A *p = new A[100];delete[]p;}

void consume(){B *p = new B[100];delete[]p;}

void main(){

for(int i = 0; i < 10000; i++){

//標(biāo)記⑦

//consume();

//標(biāo)記⑧

func();}}

//標(biāo)記⑨

程序中，func()函數(shù)先利用矢量形式的new運算符動態(tài)創(chuàng)建變量數(shù)組，再利用矢量形式的delete運算符動態(tài)釋放內(nèi)存，為主要測試對象。consume()函數(shù)的功能與它相同，不過創(chuàng)建對象時所用類型不同，其作用后面說明。

1.2 集成測試工具使用方法

利用VC 6.0提供的工具測試函數(shù)執(zhí)行時間的完整步驟是：①單擊Build彈出菜單上的Set Active Configuration菜單項，設(shè)置程序的當(dāng)前編譯、運行版本為Debug或Release版。②同時按下Alt和F7鍵，在彈出的對話框的Link選項卡上，選中Enable Profiling復(fù)選框。③單擊Build彈出菜單上的Rebuild All菜單項，編譯、鏈接程序。④單擊Build彈出菜單上的Profile菜單項，在彈出的對話框上確保單選按鈕Function timing處于選中狀態(tài)，再點擊OK按鈕啟動測試。程序退出后在Output面板上的輸出窗口即可看到各函數(shù)的執(zhí)行時間，此后步驟可以簡化，不必每次都完整進行。

輸出結(jié)果中，F(xiàn)unc Time稱為函數(shù)的部分總執(zhí)行時間，它是多次調(diào)用所需時間的總和，但是不包括在其內(nèi)部調(diào)用其他函數(shù)所需時間。Func+Child Time稱為總執(zhí)行時間，它是多次調(diào)用所需時間的總和，且包括在其內(nèi)部調(diào)用其他函數(shù)所需時間，將其除以調(diào)用次數(shù)即為前面所說的函數(shù)執(zhí)行時間。Hit Count為函數(shù)調(diào)用次數(shù)，F(xiàn)unction為對應(yīng)的函數(shù)。

2 問題的發(fā)現(xiàn)

2.1 發(fā)現(xiàn)問題所用程序

上述程序稱為設(shè)計1。在其基礎(chǔ)上：將標(biāo)記①所在行前面的注釋符號刪除后的程序稱為設(shè)計2；將標(biāo)記②所在行前面的注釋符號刪除后的程序稱為設(shè)計3；將這兩行前面的注釋符號同時刪除后的程序稱為設(shè)計4。

按照C++編程思想，new運算符內(nèi)部首先調(diào)用malloc()函數(shù)動態(tài)分配內(nèi)存，再調(diào)用自定義類型的構(gòu)造函數(shù)初始化對象；delete運算符內(nèi)部首先調(diào)用自定義類型的析構(gòu)函數(shù)清除對象，再調(diào)用free()函數(shù)動態(tài)釋放內(nèi)存[6]。因此，可用來比較沒有自定義構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)、僅有前者、僅有后者、二者皆有等情況下func()函數(shù)執(zhí)行時間的差異。

2.2 實驗條件與測試結(jié)果

實驗所用計算機型號為Lenovo G50-70m，操作系統(tǒng)為Win10，其CPU為Intel Core i3-4030U，主頻為1.90 GHz，下同。分別在Debug和Release版下對func()函數(shù)的總執(zhí)行時間測試10次。對于Release版，優(yōu)化策略為最大速度，下同。

由于操作系統(tǒng)的多任務(wù)特性，每次運行程序同一函數(shù)的執(zhí)行時間存在明顯差異。為此采取的措施有：利用for循環(huán)增加函數(shù)總執(zhí)行時間的有效位數(shù)并減小波動幅度，若某次測試結(jié)果偏離平均值太多則舍棄重測，對總執(zhí)行時間測試多次求平均值，等等。得到測試數(shù)據(jù)后計算平均總執(zhí)行時間及標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表1所示。VC 6.0給的時間以ms為單位，小數(shù)點后面有3位數(shù)字?？紤]到數(shù)據(jù)的波動性，僅給出了2～3位數(shù)字，下同。

表1 設(shè)計1～4中func()函數(shù)的總執(zhí)行時間 ms

2.3 測試結(jié)果分析

設(shè)計2～4的平均總執(zhí)行時間均比設(shè)計1的對應(yīng)值大許多。這是因為沒有自定義構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)時，new運算符會調(diào)用默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，delete運算符會調(diào)用默認(rèn)析構(gòu)函數(shù)，而默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)皆為空函數(shù)，執(zhí)行速度一定比自定義構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)快許多。Release版的平均總執(zhí)行時間小于Debug版的對應(yīng)值。這是因為Debug版需要嵌入調(diào)試信息而Release版不需要。

Debug版下設(shè)計2和3的平均總執(zhí)行時間大約相等。這是因為自定義構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)差別很小，二者的執(zhí)行時間差別應(yīng)該不大，而默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的執(zhí)行時間差別也應(yīng)該不大。Debug版下設(shè)計4的平均總執(zhí)行時間大約為設(shè)計2與3平均總執(zhí)行時間之和再減去設(shè)計1的平均總執(zhí)行時間。根據(jù)上述分析，正應(yīng)該如此。問題是，Release版下設(shè)計3的平均總執(zhí)行時間大約為設(shè)計2的20倍，設(shè)計4的平均總執(zhí)行時間大約為設(shè)計3的2倍，這不符合預(yù)期。而Release版下函數(shù)的執(zhí)行時間通常是最應(yīng)該關(guān)心的。

3 假設(shè)與驗證

3.1 引起問題之原因的假設(shè)

經(jīng)過仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，Release版下對于設(shè)計2進行測試時，在VC 6.0給的結(jié)果中找不到執(zhí)行自定義構(gòu)造函數(shù)的總執(zhí)行時間，對于設(shè)計3有自定義析構(gòu)函數(shù)的總執(zhí)行時間，對于設(shè)計4二者皆有。然而很容易證明，對于設(shè)計2程序運行時確實調(diào)用了自定義構(gòu)造函數(shù)。于是可以假設(shè)：對于使用了矢量形式之new和delete運算符的函數(shù)，測試其Release版執(zhí)行時間時，測試工具在僅有自定義構(gòu)造函數(shù)情況下未統(tǒng)計自定義構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行時間。

3.2 假設(shè)的具體化

為了使假設(shè)更具體，在設(shè)計1的基礎(chǔ)上，將標(biāo)記③和⑤所在行前面的注釋符號同時刪除后的程序稱為設(shè)計5；將標(biāo)記④和⑥所在行前面的注釋符號同時刪除后的程序稱為設(shè)計6；將這四行前面的注釋符號同時刪除后的程序稱為設(shè)計7。設(shè)計5～7與設(shè)計2～4的區(qū)別在于，自定義構(gòu)造函數(shù)和(或)析構(gòu)函數(shù)皆由內(nèi)聯(lián)成員函數(shù)變成了非內(nèi)聯(lián)成員函數(shù)。按照同樣的方法對設(shè)計1和設(shè)計5～7中func()函數(shù)的總執(zhí)行時間進行測試和計算，結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計1和5～7中func()函數(shù)的總執(zhí)行時間 ms

此時Release版下設(shè)計5和6的平均總執(zhí)行時間大約相等，設(shè)計7的平均總執(zhí)行時間也大約為設(shè)計5與6平均總執(zhí)行時間之和再減去設(shè)計1的平均總執(zhí)行時間。因此，將前述假設(shè)具體化為：對于使用了矢量形式之new和delete運算符的函數(shù)，測試其Release版執(zhí)行時間時，測試工具在僅有內(nèi)聯(lián)自定義構(gòu)造函數(shù)情況下，未統(tǒng)計自定義構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行時間。若果真如此，將設(shè)計2中func()函數(shù)在Release版下的總執(zhí)行時間近似取為168 ms，將比由測試工具所給數(shù)據(jù)得到的8.0 ms具有更高的可信度。

3.3 實驗對假設(shè)的支持

假設(shè)的正確性必須通過人工測試來驗證。人工測試時必須設(shè)法讓函數(shù)的總執(zhí)行時間足夠長，從而使得人工測試誤差小到可以容許的程度。為此，將設(shè)計1中標(biāo)記⑦所在行的10 000改為10 000 000，此時的程序稱為設(shè)計Ⅰ。在設(shè)計Ⅰ的基礎(chǔ)上進行上述修改，由設(shè)計2得到設(shè)計Ⅱ，以此類推，直到得到設(shè)計Ⅶ。另外注意，人工只能直接測試整個程序即main()函數(shù)的總執(zhí)行時間。

為了進行比較，先利用測試工具按照上述方法測試main()函數(shù)的總執(zhí)行時間。不同的是僅測試1次且不再計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差。這是因為此時完成一次測試所需的時間很長，例如對于設(shè)計Ⅶ測試一次耗時長達十幾分鐘，主要影響因素是測試工具本身需要時間。測試結(jié)果如表3所示。

表3 設(shè)計Ⅰ～Ⅶ中main()函數(shù)的總執(zhí)行時間 s

再利用一款蘋果手機上的秒表功能進行人工測試，對于每個設(shè)計測試10次，然后計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果在表3中同時給出。為方便操作，利用工具欄的快捷按鈕啟動程序的同時讓秒表開始計時，出現(xiàn)Press any key to continue后停止計時。另外發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)程序修改后啟動運行時，前幾次往往明顯偏慢，需要跳過。

由于main()函數(shù)的部分執(zhí)行時間很短(參見后面實驗結(jié)果)，即使將其總執(zhí)行時間視為func()函數(shù)的總執(zhí)行時間誤差也不是很大。根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知：采用測試工具時調(diào)用次數(shù)變?yōu)橐郧暗?000倍，相應(yīng)的總執(zhí)行時間也大約為以前的1000倍，這符合預(yù)期，不算很大的偏差主要是數(shù)據(jù)波動性的影響，main()函數(shù)部分執(zhí)行時間的影響并不大；人工測試時，對于Release版，無論是內(nèi)聯(lián)的還是非內(nèi)聯(lián)的，自定義構(gòu)造函數(shù)對執(zhí)行時間的貢獻與自定義析構(gòu)函數(shù)相差不多。這是對所作假設(shè)的支持。

3.4 測試工具的可信度問題

對實驗數(shù)據(jù)的進一步分析發(fā)現(xiàn)，即使所作假設(shè)成立，測試工具所給數(shù)據(jù)的可信度也值得懷疑。根據(jù)測試工具所給數(shù)據(jù)：設(shè)計Ⅰ～Ⅶ中main()函數(shù)總執(zhí)行時間之比與設(shè)計1～7中func()函數(shù)總執(zhí)行時間之比基本一樣，在Debug和Release版下分別約為1252550252550，124080404080；如果認(rèn)為所作假設(shè)成立，Release版下的比值大約為1404080404080；對于相同設(shè)計，Debug版的總執(zhí)行時間不超過Release版的2倍。

然而根據(jù)人工測試數(shù)據(jù)：設(shè)計Ⅰ～Ⅶ中main()函數(shù)總執(zhí)行時間之比在Debug和Release版下卻大約皆為155105510；對于相同設(shè)計，Debug版的總執(zhí)行時間大約為Release版的5倍。將數(shù)據(jù)的波動性、main()函數(shù)的部分執(zhí)行時間、測試工具運行所需的時間以及人工測試時的反應(yīng)速度等因素之影響加在一起，都不足以造成與測試工具所給數(shù)據(jù)之間如此大的差別。雖然這不否定所作假設(shè)，但它確實可能是VC 6.0提供的測試工具內(nèi)部的又一個Bug，使得它在特定條件下給的結(jié)果不可信，必須進行人工測試才能夠得到可信的結(jié)果。

4 獲取高可信度的測試數(shù)據(jù)

4.1 獲取任意函數(shù)執(zhí)行時間的方法

人工獲取任意函數(shù)執(zhí)行時間的方法只能是間接的：程序整體完成后，測試main()函數(shù)的總執(zhí)行時間T1(亦即它的執(zhí)行時間，因沒有通過循環(huán)多次調(diào)用它)；然后將對被測試函數(shù)的調(diào)用注釋掉，再次測試main()函數(shù)(其中可能包含對其他函數(shù)的必要調(diào)用)的總執(zhí)行時間T2；于是，被測試函數(shù)的總執(zhí)行時間T=T1-T2，執(zhí)行時間等于T除以調(diào)用次數(shù)。若T1比較小，減小其測試誤差的方法如前所述。若T2比較小則可以通過調(diào)用“耗時函數(shù)”來減小其測試誤差。這種耗時函數(shù)本身沒有意義，但是總執(zhí)行時間比較長，而且在測試T1和T2時不變。

4.2 實驗結(jié)果

在設(shè)計Ⅰ的基礎(chǔ)上，將標(biāo)記⑧所在行前面的注釋符號刪除以添加對耗時函數(shù)consume()的調(diào)用，此時的程序稱為設(shè)計ⅰ。在設(shè)計ⅰ的基礎(chǔ)上進行上述修改，由設(shè)計2得到設(shè)計ⅱ，以此類推，直到得到設(shè)計ⅶ，再將標(biāo)記⑨所在行對func()函數(shù)的調(diào)用(注意不包括后面的兩個右花括號)注釋掉，此時的程序稱為設(shè)計ⅷ。然后按照上述方法人工測試并計算平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果如表4所示。

表4 設(shè)計ⅰ～ⅷ中main()函數(shù)的總執(zhí)行時間 s

將表4中設(shè)計ⅰ～ⅶ的T1減去設(shè)計ⅷ的T2，得到設(shè)計ⅰ～ⅶ中func()函數(shù)的總執(zhí)行時間Tⅰ～Tⅶ，如表5所示。

表5 設(shè)計ⅰ～ⅶ中func()函數(shù)的總執(zhí)行時間 s

將表5中的結(jié)果與表3中的人工測試結(jié)果進行比較可知，main()函數(shù)的部分執(zhí)行時間很短，如果不添加對耗時函數(shù)的調(diào)用，人工直接測試將非常困難。但它的影響還是有的，將其影響剔除后可以提高測試結(jié)果的可信度。

4.3 關(guān)于操作系統(tǒng)多任務(wù)特性的影響

若按照本文提出的方法測試函數(shù)的執(zhí)行時間，其中將包含程序運行過程中被其他任務(wù)中斷所消耗的時間。文獻[7]認(rèn)為不應(yīng)該包含它，但是本文認(rèn)為恰好應(yīng)該包含它，因為在這樣的操作系統(tǒng)中被中斷是不可避免的，只有包含它才能反映實際情況。

5 結(jié)語

本文通過實驗證明了VC 6.0提供的函數(shù)執(zhí)行時間測試工具對于使用了矢量形式之new和delete運算符的函數(shù)存在問題：在Release版下當(dāng)僅有內(nèi)聯(lián)自定義構(gòu)造函數(shù)時，沒有統(tǒng)計自定義構(gòu)造函數(shù)的執(zhí)行時間；無論Debug版還是Release版，其所給數(shù)據(jù)的可信度都太低。此時，通過人工測試調(diào)用和不調(diào)用被測試函數(shù)時main()函數(shù)的總執(zhí)行時間，再取二者之差，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┤缍啻窝h(huán)調(diào)用、添加調(diào)用耗時函數(shù)等減小測試誤差，可以得到較高可信度的測試數(shù)據(jù)?；蛟S還有更多的類似情況尚未發(fā)現(xiàn)，相信皆可以利用這種方法解決。