# Оптимизация кода

## Определение и свойства

Оптимизация кода \- различные методы преобразования кода ради [улучшения его характеристик](https://pvs-studio.ru/ru/blog/terms/0077/) и повышения эффективности\. Среди целей оптимизации можно указать уменьшения объема кода, объема используемой программой оперативной памяти, ускорение работы программы, уменьшение количества операций ввода\-вывода\.

Главное из требований, которые обычно предъявляются к методу оптимизации \- оптимизированная программа должна иметь тот же результат и побочные эффекты на том же наборе входных данных, что и неоптимизированная программа\. Впрочем, это требование может и не играть особой роли, если выигрыш за счет использования оптимизации может быть сочтен более важным, чем последствия от изменения поведения программы\.

## Виды оптимизации

Оптимизация кода может проводиться как и вручную, программистом, так и автоматизированно\. В последнем случае оптимизатор может быть как отдельным программным средством, так и быть встроенным в компилятор \(т\.н\. оптимизирующий компилятор\)\. Кроме того, следует отметить, что современные процессоры могут оптимизировать порядок выполнения инструкций кода\.

Существуют такие понятия как высокоуровневая и низкоуровневая оптимизация\. Высокоуровневые оптимизации в большинстве проводятся программистом, который, оперируя абстрактными сущностями \(функциями, процедурами, классами и т\.д\.\) и представляя себе общую модель решения задачи, может оптимизировать дизайн системы\. Оптимизации на уровне элементарных структурных блоков исходного кода \(циклов, ветвлений и т\.д\.\) тоже обычно относят к высокому уровню; некоторые выделяют их в отдельный \("средний"\) уровень \(Н\. Вирт?\)\. Низкоуровневая оптимизация производится на этапе превращения исходного кода в набор машинных команд, и зачастую именно этот этап подвергается автоматизации\. Впрочем, программисты на ассемблере считают, что никакая машина не превзойдет в этом хорошего программиста \(при этом все согласны, что плохой программист сделает еще хуже и машины\)\.

## Выбор оптимизируемого участка

При оптимизации кода вручную существует еще одна проблема: нужно знать не только, каким образом проводить оптимизацию, но и в каком месте её применить\. Обычно из\-за разных факторов \(медленные операции ввода, разница в скорости работы человека\-оператора и машины и т\.д\.\) лишь 10% кода занимают целых 90% времени выполнения \(конечно, утверждение довольно умозрительно, и имеет сомнительное основание в виде закона Парето, однако выглядит довольно убедительно у Э\. Таненбаума\)\. Так как на оптимизацию придется расходовать дополнительное время, поэтому вместо попыток оптимизации всей программы лучше будет оптимизировать эти "критичные" ко времени выполнения 10%\. Такой фрагмент кода называют узким местом или бутылочным горлышком \(bottleneck\), и для его определения используют специальные программы \- профайлеры, которые позволяют замерять время работы различных частей программы\.

На самом деле, на практике оптимизация зачастую проводится после этапа "хаотического" программирования \(включающего такие вещи, как "[копипаст](https://pvs-studio.ru/ru/blog/terms/0068/)", "потом разберемся", "и так сойдет"\), поэтому представляет собой смесь из собственно оптимизации, рефакторинга и исправления [ошибок](https://pvs-studio.ru/ru/blog/terms/0082/): упрощение "причудливых" конструкций – вроде strlen\(path\.c\_str\(\)\), логических условий \(a\.x \!\= 0 && a\.x \!\= 0\) и т\.п\. Для таких оптимизаций профайлеры вряд ли пригодны\. Однако для обнаружения таких мест можно использовать программы [статического анализа](https://pvs-studio.ru/ru/blog/terms/0046/) \- средства поиска семантических ошибок на основе глубокого анализа исходного кода – ведь, как видно из второго примера, неэффективный код может быть следствием ошибок \(как, например, опечатки в данном примере \- скорее всего, имелось ввиду  a\.x \!\= 0 && a\.y \!\= 0\)\. Хороший [статический анализатор](https://pvs-studio.ru/ru/blog/terms/0074/) обнаружит подобный код, и выведет предупреждающее сообщение\.

## Вред и польза оптимизаций

Практически ко всему в программировании надо относиться рационально, и оптимизации \- не исключение\. Считается, что неопытный программист на ассемблере обычно пишет код, который в 3\-5 раз медленнее, чем код, сгенерированный компилятором \(Зубков\)\. Широко известно выражение по поводу ранних, довольно низкоуровневых \(вроде борьбы за лишний оператор или переменную\) оптимизаций, сформулированное Кнутом: "Преждевременная оптимизация — это корень всех бед"\.

К оптимизациям, проводимым оптимизатором, у большинства нет претензий, причем иногда некоторые оптимизации являются практически стандартными и обязательными \- например, оптимизация хвостовой рекурсии в функциональных языках \(Хвостовая рекурсия \- частный вид рекурсии, который может быть приведен к виду цикла\)\.

Однако следует понимать, что многочисленные сложные оптимизации на уровне машинного кода могут сильно замедлить процесс компиляции\. Причем выигрыш от них может быть чрезвычайно мал по сравнению с оптимизациями общего дизайна системы \(Вирт\)\. Также не следует забывать, что современные, "навороченные" синтаксически и семантически языки имеют множество тонкостей, и программист, который их не учитывает, может быть удивлен последствиями оптимизации\.

Например, рассмотрим язык Си\+\+ и т\.н\. Return\-Value Optimization, суть которой в том, что компилятор может не создавать копии возвращаемого функцией временного объекта\. Так как в этом случае компилятор "пропускает" копирование, этот прием также называется "Copy elision"\. Итак, следующий код: 

```cpp
#include <iostream>
 
struct C {
  C() {}
  C(const C&) { std::cout << "A copy was made.\n"; }
};
 
C f() {
  return C();
}
 
int main() {
  std::cout << "Hello World!\n";
  C obj = f();
}
```

может иметь несколько вариантов вывода: 

```cpp
Hello World!
A copy was made.
A copy was made.

Hello World!
A copy was made.

Hello World!
```



Как ни странно, все три варианта являются законными, так как в стандарте языка позволяется пропускать вызов копирующего конструктора в данном случае, даже если у конструктора есть побочные эффекты \(§12\.8 Копирование объектов класса, пункт 15\)\.

## Итог

Таким образом, не стоит забывать проводить оптимизацию кода, по возможности применяя специализированные программные средства, но это следует делать аккуратно и с осторожностью, а иногда и приготовиться к неожиданностям от компилятора\. 

## PVS\-Studio

В статическом анализаторе [PVS\-Studio](https://pvs-studio.ru/ru/pvs-studio/) реализован набор диагностик, позволяющих обнаруживать некоторые ситуации, когда код может быть оптимизирован\. Однако PVS\-Studio, как и любой статический анализатор, не может выступать в качестве замены [инструментов профилирования](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%B8%D0%BB%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_(%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0))\. Выявить узкие места могут только динамические анализаторы программ\. Статические анализаторы не знают, какие входные данные получают программы и как часто выполняется тот или иной участок кода\. Поэтому мы и говорим, что анализатор предлагает выполнить некоторые "микро оптимизации" кода, которые вовсе не гарантируют прироста производительности\.

Несмотря на рассмотренный недостаток, анализатор PVS\-Studio может выступать хорошим дополнением к инструментам профилирования\. Более того, при работе с предупреждениями PVS\-Studio, касающимися оптимизации, код часто становится проще и короче\. Более подробно этот эффект рассмотрен в статье "[Поговорим о микрооптимизациях на примере кода Tizen](https://pvs-studio.ru/ru/blog/posts/cpp/0520/)"\.

## Библиографический список

1. Э\. Таненбаум\. Архитектура компьютера\.
1. Вирт Н\.  Построение компиляторов\.
1. Кнут Д\. Искусство программирования, том 1\. Основные алгоритмы\.
1. Зубков С\.В\.  Assembler для DOS, Windows и UNIX\.
1. Wikipedia\. [Code optimization\.](https://en.wikipedia.org/wiki/Program_optimization)
1. Wikipedia\. [Оптимизирующий компилятор\.](https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D1%80%D1%83%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D0%BA%D0%BE%D0%BC%D0%BF%D0%B8%D0%BB%D1%8F%D1%82%D0%BE%D1%80)
1. Wikipedia\. [Copy elision\.](https://en.wikipedia.org/wiki/Copy_elision)
1. Wikipedia\. [Return value optimization\.](https://en.wikipedia.org/wiki/Return_value_optimization)