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c++ - 如何考虑 C++ 中的各种 for 循环？

问题描述

我的 IDE (CLion) 建议用 foreach 替换 for 循环，其中循环的元素是 char 类型值的地址（选项 2）。我很好奇以下几点：

选项1

void Cipher(std::string &plaintext, int key) {

  for (int i = 0; i < plaintext.length(); i++) {...}

}

选项 2

void Cipher(std::string &plaintext, int key) {

    for (char &letter : plaintext) {...}

}

选项 3

void Cipher(std::string &plaintext, int key) {

    for (char letter : plaintext) {...}

}

标签： c++pointersforeachfunction-pointers

解决方案

应该不惜一切代价避免选项1！！！这里的问题是方法的输入（明文）是一个引用，因此字符串存在于方法的范围之外。这意味着编译器无法确定该变量的范围，因此无法确定执行优化是否安全（并非总是如此，但在这里）。

https://godbolt.org/z/EBtVp7

在这里实现一个愚蠢的方法（只需将 12 添加到每个字符）。您会注意到第一个版本的 ASM 看起来“不错”。它非常简单，非常小，很棒。但是，如果您将 1 切换为 0 并与第二种方法进行比较，您会注意到第二种方法在生成的 asm 数量方面呈爆炸式增长，但是当您仔细观察时，它并没有那么糟糕。

看一下第一个代码片段，我们可以在内循环的第一行中看到：

mov rcx, qword ptr [rdi]

这有点糟糕。它实际上是在每次迭代时读取字符串“开始”指针（假设另一个线程*可能*调整字符串大小，因此更改字符串长度）。

但是，如果您查看第二种方法，它会使用 vpaddb 指令（使用 YMM 寄存器）生成一些展开的循环。这意味着它一次处理 32 个字符（与第一种方法不同，它一次只能处理 1 个字符）。

如果你想开始让 option1 接近 option2 的性能，你需要做一些严峻的事情，比如：

void Cipher(std::string &plaintext, int key) {

  if(!plaintext.empty())
  {
    char* ptr = &plaintext[0];
    for (int i = 0, length = plaintext.length(); i < length; i++) {

       ptr[i] += 12;
    }
  }
}

现在这个可怕的变化意味着编译器可以看到 ptr 和 length 变量在函数范围内没有变化，因此它现在能够向量化代码。（不过，选项 2 和 3 仍然更有效！）

Option3 不会在每次迭代时分配一个字符（它会将一个字符加载到通用寄存器中，或者将一组字符加载到 YMM 寄存器中）。在这种情况下，性能差异是没有实际意义的。如果要修改字符串，请使用 option2，如果字符串是只读的，请使用 option3。

实现相同目的的一个较旧的替代方案是 std::for_each，但是它不再比基于范围的 for 循环更可取。

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