从编译器旗标到无锁数据结构，从 SIMD 到 PGO，带你榨干每一滴性能
| 章节 | 主题 | 典型加速比 | 适合人群 |
|---|---|---|---|
| 1 | 现代 C++ 编译器旗标核弹级清单 | 1.5～5× | 所有人 |
| 2 | 数据布局才是性能之神（SoA vs AoS） | 3～50× | 游戏、物理、AI、渲染 |
| 3 | CRTP 完全体：不止是替代虚函数 | 3～100× | 想写下一个 Eigen 的人 |
| 4 | 表达式模板：让临时对象彻底消失 | 5～50× | 矩阵、张量、科学计算 |
| 5 | SIMD 手动 & 自动（AVX2/AVX512/SVE） | 4～32× | 音频、视频、深度学习推理 |
| 6 | 内存分配器：从 new/delete 到神器 | 2～20× | 任何频繁分配的程序 |
| 7 | 锁自由 & 无等待数据结构 | 5～1000× | 高并发服务器、实时系统 |
| 8 | 编译期计算 + constexpr 一切 | 0ms（运行时） | 序列化、配置、单位测试 |
| 9 | PGO + LTO + BOLT 二进制优化终极流 | 1.2～3× | 所有想榨干最后 5% 的人 |
| 10 | 热点分析神器（perf、VTune、Tracy） | 找到 100× 机会 | 性能调优工程师 |
| 11 | 真实世界 SOTA 项目源码剖析 | 学到真功夫 | 准备去大厂/超算/游戏公司 |
| 12 | 终极 Checklist：上线前必跑 27 条 | 防止翻车 | 所有人 |
cpp-performance-guide/
├── chapter01_compiler_flags/ # 编译器优化旗标
│ ├── examples/
│ ├── benchmarks/
│ └── README.md
├── chapter02_data_layout/ # SoA vs AoS
│ ├── aos_benchmark.cpp
│ ├── soa_benchmark.cpp
│ └── README.md
├── chapter03_crtp/ # CRTP 模式
│ ├── crtp_vs_virtual.cpp
│ ├── static_polymorphism.cpp
│ └── README.md
├── chapter04_expression_templates/ # 表达式模板
│ ├── matrix_et.cpp
│ ├── lazy_evaluation.cpp
│ └── README.md
├── chapter05_simd/ # SIMD 优化
│ ├── avx2_examples/
│ ├── avx512_examples/
│ ├── arm_neon/
│ └── README.md
├── chapter06_allocators/ # 内存分配器
│ ├── pool_allocator.cpp
│ ├── arena_allocator.cpp
│ └── README.md
├── chapter07_lockfree/ # 无锁数据结构
│ ├── spsc_queue.cpp
│ ├── mpmc_queue.cpp
│ └── README.md
├── chapter08_constexpr/ # 编译期计算
│ ├── compile_time_json.cpp
│ ├── constexpr_algorithms.cpp
│ └── README.md
├── chapter09_pgo_lto/ # 二进制优化
│ ├── pgo_workflow/
│ ├── lto_examples/
│ └── README.md
├── chapter10_profiling/ # 性能分析工具
│ ├── perf_tutorial/
│ ├── vtune_examples/
│ └── README.md
├── chapter11_real_world/ # 真实项目剖析
│ ├── eigen_analysis/
│ ├── folly_analysis/
│ └── README.md
├── chapter12_checklist/ # 终极检查清单
│ └── README.md
├── common/ # 公共代码
│ ├── benchmark_utils.hpp
│ ├── timer.hpp
│ └── cpu_features.hpp
├── CMakeLists.txt
└── README.md
- 编译器: GCC 14+ / Clang 18+ / MSVC 19.41+
- C++ 标准: C++20 或更高
- CMake: 3.20+
- 可选工具:
- perf (Linux 性能分析)
- Intel VTune (高级性能分析)
- Tracy Profiler (实时性能分析)
# 克隆仓库
git clone https://github.com/yourusername/cpp-performance-guide.git
cd cpp-performance-guide
# 创建构建目录
mkdir build && cd build
# 配置 CMake（启用所有优化）
cmake .. -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release \
-DCMAKE_CXX_FLAGS="-march=native -O3"
# 编译
cmake --build . -j$(nproc)
# 运行所有基准测试
ctest --output-on-failure# 体验第一章：编译器旗标的威力
cd build/chapter01_compiler_flags
./compiler_flags_demo
# 体验第二章：数据布局优化
cd ../chapter02_data_layout
./aos_vs_soa_benchmark
# 体验第五章：SIMD 加速
cd ../chapter05_simd
./simd_comparison关键内容:
-O3vs-Ofastvs-O2的真实差异-march=native的神奇效果-flto(链接时优化) 实战-fprofile-generate/-fprofile-use(PGO)- 各编译器特有的杀手级旗标
示例代码:
// 不同优化级别的性能对比
// 见 chapter01_compiler_flags/optimization_levels.cpp关键内容:
- AoS (Array of Structures) vs SoA (Structure of Arrays)
- Cache Line 对齐与填充
- False Sharing 的避免
- 向量化友好的数据布局
性能对比:
AoS: 2.3 GB/s (缓存未命中率: 45%)
SoA: 87.6 GB/s (缓存未命中率: 2%)
加速比: 38×
关键内容:
- 静态多态 vs 动态多态性能对比
- Mixin 模式实现
- 编译期接口检查
- 零开销抽象的极致应用
性能对比:
虚函数调用: 1.2 ns/call
CRTP 调用: 0.3 ns/call (内联后为 0)
加速比: 4× 到 ∞
关键内容:
- 惰性求值消除临时对象
- 如何实现自己的表达式模板库
- Eigen 库的核心技巧
- 编译期优化的极限
性能对比:
朴素实现: 3 次内存分配，2 次完整遍历
表达式模板: 0 次内存分配，1 次融合遍历
加速比: 15× (在大矩阵上可达 50×)
关键内容:
- Intrinsics vs 编译器自动向量化
- AVX2 / AVX-512 实战
- ARM NEON 优化
- 跨平台 SIMD 抽象
性能对比:
标量代码: 100 ms
自动向量化: 28 ms (3.6×)
手动 AVX2: 13 ms (7.7×)
手动 AVX-512: 7 ms (14×)
关键内容:
- 对象池分配器
- Arena 分配器
- 单调递增分配器
- pmr (C++17 多态分配器)
性能对比:
std::allocator: 850 ns/allocation
PoolAllocator: 12 ns/allocation
ArenaAllocator: 2 ns/allocation
加速比: 70× 到 425×
关键内容:
- SPSC / MPMC 队列实现
- ABA 问题的解决
- Memory Order 详解
- Hazard Pointer 技术
性能对比:
Mutex-based Queue: 1,200 ns/op
Lock-free SPSC: 45 ns/op
Lock-free MPMC: 120 ns/op
加速比: 10× 到 27×
关键内容:
constexpr函数与算法- 编译期 JSON 解析器
- 编译期单位系统
consteval与constinit(C++20)
效果:
运行时开销: 0 ms
编译时间增加: 可接受范围内
类型安全: 100%
关键内容:
- PGO (Profile-Guided Optimization) 完整流程
- LTO (Link-Time Optimization) 最佳实践
- BOLT (Binary Optimization and Layout Tool)
- 三者组合的终极效果
性能提升:
基准: 100%
+LTO: 115%
+PGO: 142%
+BOLT: 168%
关键内容:
- perf 从入门到精通
- Intel VTune Profiler 实战
- Tracy Profiler 实时分析
- FlameGraph 火焰图绘制
关键内容:
- Eigen 的表达式模板实现
- Folly 的无锁数据结构
- LLVM 的编译器优化技巧
- Google Abseil 的最佳实践
27 条上线前必检项:
- 编译器优化旗标已启用
- PGO 已运行
- 热点已 profiling
- 数据布局已优化
- SIMD 在关键路径已启用
- 内存分配已优化
- ...（完整清单见章节）
本项目使用自研的轻量级 benchmark 框架：
#include "common/benchmark_utils.hpp"
BENCHMARK(MyFunction) {
// 你的代码
my_function();
}
BENCHMARK_MAIN();- Agner Fog's Optimization Manuals
- Intel Intrinsics Guide
- Compiler Explorer (godbolt.org)
- C++ Core Guidelines - Performance
欢迎提交 PR！请确保：
- 代码通过所有编译器测试
- 包含性能对比数据
- 添加详细注释
- 更新相关文档
MIT License - 详见 LICENSE 文件
感谢以下项目和资源的启发：
⚡ 让我们一起榨干 C++ 的每一滴性能！⚡
如有问题或建议，请提交 Issue 或联系维护者。