Wysoce wydajny C++. Opanuj sztukę optymalizowania działania kodu. Wydanie 2 - ebook

Dzisiejszy C++ jest wyjątkowym językiem programowania. Umożliwia pisanie zwięzłego, stabilnego kodu, który można zoptymalizować pod kątem wydajności w niespotykanym dotychczas stopniu. Język C++ w ciągu ostatnich lat został unowocześniony. W standardzie C++ 20 znalazło się sporo mechanizmów, które pozwalają osiągnąć wysoką efektywność kodu, a równocześnie uprzyjemniają programiście pracę. Poprawiono także ustawienia domyślne kompilatora. To wszystko sprawia, że wielu profesjonalistów wybiera właśnie C++, gdy chce uzyskać kod o wyjątkowej wydajności.

Ta książka jest drugim, zaktualizowanym i uzupełnionym wydaniem przewodnika dla programistów. Rozpoczyna się od szczegółowego wprowadzenia do nowoczesnego C++ z uwzględnieniem technik eliminowania wąskich gardeł w kodzie bazowym. Następnie omówiono zagadnienia optymalizacji struktur danych i zarzadzania pamięcią. Przedstawiono również tematykę algorytmów, zasady pisania czytelnego kodu i stosowania niestandardowych iteratorów. Zamieszczono w niej też praktyczne przykłady używania metaprogramowania w języku C++, korutyn, refleksji (do ograniczenia ilości szablonowego kodu), obiektów pośredniczących (do wprowadzania ukrytych optymalizacji), programowania współbieżnego i struktur danych wolnych od blokad. W końcowej części dokonano przeglądu algorytmów równoległych w C++.

W książce między innymi:

• nowe aspekty C++ 20
• wyspecjalizowane struktury danych na potrzeby wydajnego kodu
• metaprogramowanie i niestandardowe zarządzanie pamięcią
• mechanizm refleksji i programowanie współbieżne bez używania blokad
• subtelne optymalizacje algorytmów z biblioteki standardowej C++
• leniwe generatory i zadania asynchroniczne

Twórz wydajny i czysty kod w C++!

Przedmowa

O autorach

O korektorach merytorycznych

Wprowadzenie

• Dla kogo przeznaczona jest ta książka?
• Zawartość książki
• Jak najlepiej skorzystać z tej książki?
• Pobieranie plików z przykładowym kodem
• Stosowane konwencje typograficzne

Rozdział 1. Krótkie wprowadzenie do języka C++

• Dlaczego C++?
  • Bezkosztowe abstrakcje
  • Przenośność
  • Odporność
  • Język C++ dzisiaj
• Porównanie C++ z innymi językami
  • Konkurencyjne języki i wydajność
  • Mechanizmy języka C++ niezwiązane z wydajnością
  • Wady języka C++
• Biblioteki i kompilatory używane w tej książce
• Podsumowanie

Rozdział 2. Podstawowe techniki języka C++

• Automatyczne wykrywanie typów za pomocą słowa kluczowego auto
  • Stosowanie słowa kluczowego auto w sygnaturach funkcji
  • Stosowanie słowa kluczowego auto dla zmiennych
• Semantyka przenoszenia
  • Tworzenie przez kopiowanie, wymienianie i przenoszenie
  • Pozyskiwanie zasobów i reguła pięciu
  • Zmienne nazwane i r-wartości
  • Domyślna semantyka przenoszenia i reguła zera
  • Stosowanie modyfikatora && do funkcji składowych klas
  • Nie przenoś obiektów, jeśli kopiowanie i tak jest pomijane
  • Jeśli to możliwe, stosuj przekazywanie przez wartość
• Projektowanie interfejsów z obsługą błędów
  • Kontrakty
  • Obsługa błędów
• Obiekty funkcyjne i wyrażenia lambda
  • Podstawowa składnia lambd w języku C++
  • Klauzula przechwytywania
  • Przypisywanie do lambd wskaźników do funkcji języka C
  • Typy lambd
  • Lambdy i typ std::function
  • Generyczne lambdy
• Podsumowanie

Rozdział 3. Analizowanie i pomiar wydajności

• Złożoność asymptotyczna i notacja dużego O
  • Tempo wzrostu
  • Zamortyzowana złożoność czasowa
• Co mierzyć i w jaki sposób?
  • Aspekty wydajności
  • Przyspieszanie wykonywania kodu
  • Liczniki wydajności
  • Testy wydajności - dobre praktyki
• Poznaj kod i znajdź hot spoty
  • Profilery z instrumentacją
  • Profilery z próbkowaniem
• Mikrotesty
  • Prawo Amdahla
  • Pułapki związane z mikrotestami
  • Przykład ilustrujący mikrotesty
• Podsumowanie

Rozdział 4. Struktury danych

• Cechy pamięci w komputerach
• Kontenery z biblioteki standardowej
  • Kontenery sekwencyjne
  • Kontenery asocjacyjne
  • Adaptery kontenerów
• Używanie widoków
  • Unikanie kopiowania dzięki typowi string_view
  • Unikanie utraty informacji o długości tablic dzięki typowi std::span
• Uwagi na temat wydajności
  • Zapewnianie równowagi między gwarancjami złożoności a dodatkowymi kosztami
  • Znajomość i stosowanie odpowiednich funkcji API
• Tablice równoległe
• Podsumowanie

Rozdział 5. Algorytmy

• Wprowadzenie do algorytmów z biblioteki standardowej
  • Ewolucja algorytmów z biblioteki standardowej
  • Rozwiązywanie codziennych problemów
• Iteratory i zakresy
  • Wprowadzenie do iteratorów
  • Wartość wartownika i iteratory zakońcowe
  • Zakresy
  • Kategorie iteratorów
• Cechy algorytmów standardowych
  • Algorytmy nie zmieniają wielkości kontenera
  • Algorytmy zwracające dane wyjściowe wymagają zaalokowanych danych
  • Algorytmy domyślnie używają funkcji operator==() i operator<()
  • W algorytmach z ograniczeniami używane są projekcje
  • Algorytmy wymagają, aby operatory przenoszące nie zgłaszały wyjątków
  • Algorytmy mają gwarantowaną złożoność
  • Algorytmy działają równie dobrze jak analogiczne funkcje z bibliotek języka C
• Pisanie i stosowanie algorytmów generycznych
  • Algorytmy niegeneryczne
  • Algorytmy generyczne
  • Struktury danych, które mogą być używane przez algorytmy generyczne
• Dobre praktyki
  • Stosowanie algorytmów z ograniczeniami
  • Sortowanie tylko tych danych, które będą pobierane
  • Stosowanie algorytmów standardowych zamiast surowych pętli for
  • Unikanie tworzenia kopii kontenera
• Podsumowanie

Rozdział 6. Zakresy i widoki

• Powody powstania biblioteki Ranges
  • Ograniczenia biblioteki Algorithm
• Widoki z biblioteki Ranges
  • Widoki można łączyć w łańcuch
  • Widoki zakresów i adaptery zakresów
  • Widoki są zakresami bez własności elementów oferującymi gwarancje złożoności
  • Widoki nie modyfikują podstawowego kontenera
  • Widoki można materializować do postaci kontenerów
  • Widoki są przetwarzane leniwie
• Widoki z biblioteki standardowej
  • Widoki dla zakresów
  • Jeszcze o typach std::string_view i std::span
• Przyszłość biblioteki Ranges
• Podsumowanie

Rozdział 7. Zarządzanie pamięcią

• Pamięć w komputerze
  • Wirtualna przestrzeń adresowa
  • Strony pamięci
  • Migotanie
• Pamięć procesu
  • Pamięć na stosie
  • Pamięć na stercie
• Obiekty w pamięci
  • Tworzenie i usuwanie obiektów
  • Wyrównanie pamięci
  • Dopełnienie
• Własność pamięci
  • Pośrednie zarządzanie zasobami
  • Kontenery
  • Inteligentne wskaźniki
• Optymalizacja małych obiektów
• Niestandardowe zarządzanie pamięcią
  • Tworzenie puli pamięci
  • Niestandardowy alokator pamięci
  • Stosowanie polimorficznych alokatorów pamięci
  • Implementowanie niestandardowego zasobu pamięciowego
• Podsumowanie

Rozdział 8. Programowanie z przetwarzaniem w czasie kompilacji

• Wprowadzenie do metaprogramowania z użyciem szablonów
  • Tworzenie szablonów
  • Stosowanie liczb całkowitych jako parametrów szablonu
  • Tworzenie specjalizacji szablonu
  • Jak kompilator przetwarza funkcję szablonową?
  • Skrócone szablony funkcji
  • Pobieranie typu zmiennej za pomocą specyfikatora decltype
• Cechy typów
  • Kategorie cech typów
  • Stosowanie cech typów
• Programowanie z użyciem stałych wyrażeń
  • Działanie funkcji ze słowem kluczowym constexpr w czasie wykonywania programu
  • Deklarowanie funkcji natychmiastowych za pomocą słowa kluczowego consteval
  • Instrukcja if constexpr
  • Sprawdzanie błędów programistycznych w czasie kompilacji
• Ograniczenia i koncepty
  • Szablon Point2D bez ograniczeń
  • Omówienie składni ograniczeń i konceptów
  • Wersja szablonu Point2D z ograniczeniami
  • Dodawanie ograniczeń do kodu
  • Koncepty w bibliotece standardowej
• Praktyczne przykłady metaprogramowania
  • Przykład nr 1: tworzenie generycznej bezpiecznej funkcji rzutowania
  • Przykład nr 2: obliczanie skrótów łańcuchów znaków w czasie kompilacji
• Podsumowanie

Rozdział 9. Podstawowe narzędzia

• Reprezentowanie wartości opcjonalnych za pomocą typu std::optional
  • Opcjonalne zwracane wartości
  • Opcjonalne zmienne składowe
  • Unikanie pustych stanów w wyliczeniach
  • Sortowanie i porównywanie wartości typu std::optional
• Kolekcje niejednorodne o stałej wielkości
  • Stosowanie typu std::pair
  • Typ std::tuple
• Kolekcje niejednorodne o dynamicznie zmienianej wielkości
  • Typ std::variant
  • Kolekcje niejednorodne z obiektami typu std::variant
  • Dostęp do wartości z kontenera elementów typu VariantType
• Praktyczne przykłady
  • Przykład nr 1: projekcje i operatory porównania
  • Przykład nr 2: refleksja
• Podsumowanie

Rozdział 10. Obiekty pośredniczące i leniwe przetwarzanie

• Wprowadzenie do leniwego przetwarzania i obiektów pośredniczących
  • Przetwarzanie leniwe i przetwarzanie zachłanne
  • Obiekty pośredniczące
• Stosowanie obiektów pośredniczących do zapobiegania tworzeniu obiektów
  • Porównywanie scalanych łańcuchów znaków z wykorzystaniem obiektu pośredniczącego
  • Implementowanie obiektu pośredniczącego
  • Modyfikator r-wartości
  • Przypisywanie połączonej wartości do obiektu pośredniczącego
  • Ocena wydajności
• Odraczanie obliczania kwadratów
  • Prosta klasa reprezentująca wektory dwuwymiarowe
  • Obliczenia matematyczne
  • Implementowanie klasy LengthProxy
  • Porównywanie długości za pomocą klasy LengthProxy
  • Obliczanie długości za pomocą klasy LengthProxy
  • Ocena wydajności
• Pomysłowe przeciążanie operatorów i obiekty pośredniczące
  • Operator potoku jako metoda rozszerzająca
• Podsumowanie

Rozdział 11. Współbieżność

• Podstawy współbieżności
• Co sprawia, że programowanie współbieżne jest trudne?
• Współbieżność a równoległość
  • Porcjowanie czasu
  • Współdzielona pamięć
  • Sytuacja wyścigu
  • Muteks
  • Zakleszczenie
  • Zadania synchroniczne i zadania asynchroniczne
• Programowanie współbieżne w języku C++
  • Biblioteka obsługi wątków
  • Dodatkowe podstawowe mechanizmy synchronizacji w standardzie C++20
  • Obsługa zmiennych atomowych w języku C++
  • Model dostępu do pamięci w języku C++
• Programowanie bez blokad
  • Przykład: kolejka bez blokad
• Wskazówki dotyczące wydajności
  • Zapobieganie rywalizacji
  • Unikanie operacji blokujących
  • Liczba wątków i rdzeni procesora
  • Priorytety wątków
  • Koligacja wątków
  • Niezamierzone współdzielenie
• Podsumowanie

Rozdział 12. Korutyny i leniwe generatory

• Kilka przykładów uzasadniających stosowanie korutyn
• Abstrakcja reprezentująca korutyny
  • Podprocedury i korutyny
  • Wykonywanie podprocedur i korutyn w procesorze
  • Korutyny bezstosowe i korutyny stosowe
  • Czego Czytelnik nauczył się do tego miejsca?
• Korutyny w języku C++
  • Co zostało uwzględnione w standardzie języka C++ (i co zostało pominięte)?
  • Co sprawia, że funkcja w języku C++ jest korutyną?
  • Minimalny, lecz kompletny przykład
  • Alokowanie stanu korutyny
  • Zapobieganie wiszącym referencjom
  • Obsługa błędów
  • Punkty konfiguracyjne
• Generatory
  • Implementowanie generatora
  • Stosowanie klasy Generator
  • Praktyczny przykład zastosowania generatorów
• Wydajność
• Podsumowanie

Rozdział 13. Programowanie asynchroniczne z użyciem korutyn

• Jeszcze o typach awaitable
  • Automatyczne punkty wstrzymywania
• Implementowanie prostego typu reprezentującego zadanie
  • Obsługa zwracanych wartości i wyjątków
  • Wznawianie oczekującej korutyny
  • Dodawanie obsługi zadań zwracających void
  • Synchroniczne oczekiwanie na ukończenie zadania
  • Testowanie asynchronicznych zadań z użyciem funkcji sync_wait()
• Tworzenie nakładki na API opartym na wywołaniach zwrotnych
• Współbieżny serwer zbudowany za pomocą biblioteki Boost.Asio
  • Implementowanie serwera
  • Uruchamianie serwera i nawiązywanie z nim połączenia
  • Co osiągnęliśmy za pomocą serwera (i czego wciąż brakuje)?
• Podsumowanie

Rozdział 14. Algorytmy równoległe

• Znaczenie równoległości
• Algorytmy równoległe
  • Ocena algorytmów równoległych
  • Jeszcze o prawie Amdahla
  • Implementowanie równoległego algorytmu std::transform()
  • Implementowanie równoległej wersji algorytmu std::count_if()
  • Implementowanie równoległej wersji algorytmu std::copy_if()
• Algorytmy równoległe z biblioteki standardowej
  • Strategie wykonywania
  • Obsługa wyjątków
  • Dodatki i zmiany w algorytmach równoległych
  • Zrównoleglanie pętli for opartej na indeksie
• Wykonywanie algorytmów w procesorze graficznym
• Podsumowanie