哈喽，各位好！今天我们要聊聊C++20里一对儿有趣的小伙伴：[[likely]] 和 [[unlikely]]。 它们就像是编译器的小耳语者，让我们能告诉编译器，哪些分支代码更有可能执行，哪些不太可能。这样一来，编译器就可以针对我们的提示进行优化，从而提升程序的性能。
1. 分支预测：编译器的小九九
在深入[[likely]]和[[unlikely]]之前，我们先来了解一下分支预测。CPU执行指令的时候，可不是傻乎乎地一条一条等。它很聪明，会提前预测下一步要执行哪条指令。尤其是在遇到 if 语句、 switch 语句、循环等分支结构时，CPU会猜测哪个分支更有可能被执行。
如果CPU猜对了，那一切顺利，流水线继续happy地工作。但如果猜错了，那就要付出代价了！CPU需要把已经预取和执行的指令全部丢掉，重新从正确的指令开始执行，这会造成性能上的损失，我们称之为“分支预测失败”。
分支预测的准确性直接影响程序的性能。现代CPU的分支预测器已经相当厉害了，能根据历史执行情况和一些启发式规则进行预测。但是，有时候编译器和CPU也无法准确判断，这时候就需要我们出手相助了。
2. [[likely]] 和 [[unlikely]]：给编译器指明方向
[[likely]] 和 [[unlikely]] 就是C++20引入的两个属性(attribute)，它们用来告诉编译器，某个分支更有可能或更不可能被执行。
[[likely]]: 告诉编译器，这个分支很可能被执行。[[unlikely]]: 告诉编译器，这个分支不太可能被执行。
3. 如何使用它们？
使用方法非常简单，直接把它们放在 if 语句、 switch 语句或循环语句的条件表达式前面。
#include <iostream>
int main() {
int x = 5;
if (x > 0) [[likely]] {
std::cout << "x is positive" << std::endl;
} else [[unlikely]] {
std::cout << "x is not positive" << std::endl;
}
return 0;
}在这个例子中，我们告诉编译器， x > 0 这个条件很可能为真。
4. 编译器会做什么？
编译器会根据我们的提示进行一些优化，例如：
- 指令排序： 编译器可能会把
[[likely]]分支的代码放在更靠近条件判断的地方，这样CPU就能更快地取到指令，减少分支预测失败的概率。 - 代码布局： 编译器可能会把
[[unlikely]]分支的代码放在比较远的地方，例如函数的末尾，或者单独的冷代码段，避免它影响主执行路径上的指令缓存。 - 生成条件移动指令： 在某些情况下，编译器可能会使用条件移动指令来代替分支，从而避免分支预测。
5. 适用场景和注意事项
[[likely]] 和 [[unlikely]] 并非万能药，只有在以下情况下才能发挥作用：
- 明确的概率倾向： 你需要对某个分支的执行概率有比较清晰的认识。如果概率不确定，或者每次运行都差不多，那使用它们可能反而会适得其反。
- 性能敏感的代码： 只有在对性能要求非常高的代码中，才值得考虑使用它们。对于一般的代码，编译器通常已经能做出很好的优化。
- 编译器支持： 确保你的编译器支持C++20的
[[likely]]和[[unlikely]]属性。如果不支持，编译器会忽略它们，不会报错。
另外，还有一些需要注意的地方：
- 不要滥用： 不要随便给每个
if语句都加上[[likely]]或[[unlikely]]。过度使用反而会干扰编译器的优化。 - 保持一致： 如果你的程序逻辑发生了变化，导致某个分支的执行概率发生了改变，一定要及时更新
[[likely]]和[[unlikely]]的标注。 - profile-guided optimization (PGO):
[[likely]]和[[unlikely]]是一种静态的提示。更高级的做法是使用 PGO，让编译器根据程序的实际运行情况进行优化。
6. 示例分析
下面我们来看几个更具体的例子，分析一下在什么情况下可以使用 [[likely]] 和 [[unlikely]]。
例子1：错误处理
在很多程序中，错误处理的代码通常只会在极少数情况下被执行。这时候，我们可以使用 [[unlikely]] 来告诉编译器。
int process_data(int data) {
if (data < 0) [[unlikely]] {
// 错误处理
std::cerr << "Error: data is negative" << std::endl;
return -1;
}
// 正常处理
// ...
return 0;
}在这个例子中，我们假设 data < 0 的情况很少发生，所以用 [[unlikely]] 标注。
例子2：循环优化
在循环中，有些条件可能只在循环的开始或结束时才成立。这时候，我们可以使用 [[likely]] 或 [[unlikely]] 来优化循环。
void process_array(int arr[], int size) {
for (int i = 0; i < size; ++i) {
if (i == 0) [[unlikely]] {
// 循环的第一次迭代
// ...
} else {
// 其他迭代
// ...
}
}
}在这个例子中， i == 0 只会在循环的第一次迭代时成立，所以用 [[unlikely]] 标注。
例子3：缓存命中
在某些情况下，我们可以根据缓存的命中率来使用 [[likely]] 和 [[unlikely]]。例如，在一个查找函数中，如果缓存命中的概率很高，我们可以使用 [[likely]] 来标注缓存命中的分支。
int lookup_value(int key) {
if (cache.contains(key)) [[likely]] {
// 缓存命中
return cache.get(key);
} else {
// 缓存未命中
int value = calculate_value(key);
cache.put(key, value);
return value;
}
}7. 实验数据
为了更直观地了解 [[likely]] 和 [[unlikely]] 的效果，我们可以进行一些实验。下面是一个简单的实验，比较了使用和不使用 [[likely]] 和 [[unlikely]] 的性能差异。
#include <iostream>
#include <chrono>
const int ITERATIONS = 100000000;
int main() {
int x = 0;
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// Without likely/unlikely
for (int i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {
if (i % 2 == 0) {
x++;
} else {
x--;
}
}
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start);
std::cout << "Without likely/unlikely: " << duration.count() << " ms" << std::endl;
x = 0;
start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
// With likely/unlikely (assuming i % 2 == 0 is more likely for some reason)
for (int i = 0; i < ITERATIONS; ++i) {
if (i % 2 == 0) [[likely]] {
x++;
} else [[unlikely]] {
x--;
}
}
end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start);
std::cout << "With likely/unlikely: " << duration.count() << " ms" << std::endl;
return 0;
}注意： 这个实验的结果可能会受到多种因素的影响，例如编译器、CPU、优化选项等等。因此，最好在你的实际应用场景中进行测试，才能得到更准确的性能数据。
8. 表格总结
为了方便大家理解，我们用表格总结一下 [[likely]] 和 [[unlikely]] 的特点：
| 属性 | 作用 | 适用场景 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
[[likely]] |
告诉编译器，这个分支很可能被执行。 | * 错误处理很少发生的情况 | * 不要滥用 |
| * 循环中某个条件通常成立的情况 | * 保持一致 | ||
| * 缓存命中率很高的情况 | * Profile-Guided Optimization 可能是更好的选择 | ||
[[unlikely]] |
告诉编译器，这个分支不太可能被执行。 | * 错误处理经常发生的情况 | * 不要滥用 |
| * 循环中某个条件很少成立的情况 | * 保持一致 | ||
| * 缓存命中率很低的情况 | * Profile-Guided Optimization 可能是更好的选择 |
9. 总结
[[likely]] 和 [[unlikely]] 是C++20提供的一对儿非常有用的工具，可以帮助我们优化程序的性能。但是，它们并非万能药，只有在合适的场景下才能发挥作用。在使用它们之前，一定要仔细分析你的代码，确保你对分支的执行概率有清晰的认识。并且要做好测试，观察它们是否真的带来了性能提升。
希望今天的讲解对大家有所帮助！记住，编程就像烹饪，掌握了各种调味料的特性，才能做出美味佳肴。 [[likely]] 和 [[unlikely]] 就是你工具箱里的两种特殊的调味料，好好利用它们，让你的代码更上一层楼！