如何提高 C++ 项目的编译速度

C++ 项目的编译时间一般可以从以下几个角度进行优化:

  • 使用 Pimpl 模式
  • 移动语义替代复制语义
  • 前向声明替代 include
  • 优化依赖关系
  • 预编译头文件技术(PCH)
  • 谨慎使用 inline 和 template
  • 不改代码:借助硬件性能

使用 Pimpl 模式

声明与实现分离,接口定义要相对稳定,include 时只 include 这个接口头文件就好。

Pimpl(Pointer to Implementor),顾名思义就是将真正的实现细节的 Implementor 从类定义的头文件中分离出去,公有类通过一个私有指针指向隐藏的实现类,是促进接口和实现分离的重要机制。

通常的 Pimpl 的手法是在 API 的头文件中提供接口类的定义以及实现类的前置声明,实现类的本身定义和成员函数的实现都隐藏在 cpp 文件中去,同时为了避免实现类的符号污染外部名字空间,实现类大多作为接口类的内部嵌套类的形式。

不使用 Pimpl 手法,代码会像这样:

#include <x.h>
class C {
public:
    void f1();
private:
    X x;    // 与 X 的强耦合
};

从语义上来说,成员数据 x 是属于类 C 的实现部分,不应该暴露给用户。
从实现上来说,在用户的代码中,每一次使用 new CC c1 这样的语句,都会将类 X 的大小硬编码到编译后的二进制代码段中(如果类 X 有虚函数,则还不止这些)——这是因为,对于 new C 这样的语句,其实相当于 operator new(sizeof(C)) 后面再跟上类 C 的构造函数,而 C c1 则是在当前栈上腾出 sizeof(C) 大小的空间,然后调用类 C 的构造函数。因此,每次类 X 作了改动,使用 c.h 的源文件都必须重新编译一次,因为类 X 的大小可能改变了。

而使用 Pimpl 手法的代码像这样:

#include <x.h>
class C {
    ...
private:
    X* pimpl;     // 这时 class X 不用完全定义, 因为任何指针的大小都是相同的, 这个大小已经确定了
};

当用户 new C 或者 C c1 的时候,编译器生成的代码中不会掺杂类 X 的任何信息。

移动语义替代复制语义

当一个函数的参数按值传递时,就会进行拷贝。对于基本数据类型,编译器懂得如何去拷贝。 而对于自定义的类型,我们需要提供拷贝构造函数。

但不得不说,拷贝的代价是昂贵的。所以我们需要寻找一个避免不必要拷贝的方法,即 C++11 提供的移动语义。移动语义一般是通过右值引用的方式实现的。

在 C++ 中临时变量在表达式结束后就被销毁,之后程序就无法再引用这个变量了。但 C++ 11 提供了一个方法,让我们可以引用这个临时变量。这个方法就是所谓的右值引用。

移动构造函数类似于拷贝构造函数,把类的实例对象作为参数,并创建一个新的实例对象。但是移动构造函数可以避免内存的重新分配,因为我们知道右值引用提供了一个暂时的对象,我们可以把它当做一个临时存储。这就意味着我们要移动而不是拷贝右值参数的内容。从而节省很多的时间和空间。

如下是一个移动赋值运算符语法示例:

A& operator=(A&& other) {
    if (this != &other) {
    // 释放已有资源
    delete[] mData;

    mData = other.mData;

    // 释放源对象指针
    other.mData = NULL;
    }
    return *this;
}

前向声明替代 include

删除不必要的 include,使用前向声明(forward declaration)替代。

C++ 的类可以进行前向声明。但是,仅仅进行前向声明而没有定义的类是不完整的,这样的类,只能用于定义指针、引用,以及用于函数形参的指针和引用。不能用于定义对象(因为此时编译器只知道这是个类,还不知道这个类的大小有多大),也不能访问类的对象。

如 Pimpl 模式一节的例子可以将 #include <x.h> 替换为前向声明:

class X;    // 前向声明, 类 X 的定义在 x.h 文件中
class C {
    ...
private:
    X* pimpl;     // 这时 class X 不用完全定义, 因为任何指针的大小都是相同的, 这个大小已经确定了
};

优化依赖关系

  1. 避免循环 include,通常如果出现这种现象,应该重新组织文件布局,使得项目高度模块化。
  2. 使用条件编译语句可以避免重复 include,但绝大多数 C++ 编译器在遇到这个语句时仍会把"打开文件并读取文件内容然后进行字符串扫描"这套动作做一遍。出于这个角度,我们也应该主动优化依赖关系,减少编译过程中所需的 I/O 量。

预编译头文件(PCH)技术

要使用预编译头,我们必须指定一个头文件,这个头文件包含我们不会经常改变的代码和其他的头文件,用一个 .cpp 包含它并编译生成一个 .pch 文件(GCC 下直接 g++ x.h 即可,生成的预编译头后缀为 .gch,不同后缀的预编译头不兼容),在接下来编译到 include 这个头文件的代码时,就直接使用预编译头文件了,速度的提升相当明显。

这些预先编译好的代码可以是任何的 C/C++ 代码,甚至是 inline 函数,但是必须是稳定的,在工程开发的过程中不会被经常改变。如果这些代码被修改,则需要重新编译生成预编译头文件。

【注意】使用预编译头技术造成了一个问题:
由于它假定预编译头中包含过的头文件会在所有 .cpp 中使用,因此它在编译你的 .cpp 的时候,就会将预编译头中已经编译完的部分加载到内存中。如果它突然发现你的 .cpp 居然没有包含预编译头,整个编译过程就会失败,因为它不知道该如何将已编译完的部分从内存中请出去。
因此,如果你使用了预编译头技术,就必须在所有的 .cpp 中包含预编译头。stdafx.h 是 MFC 工程提供的一个默认的预编译头。

谨慎使用 inline 和 template

在头文件中 使用 inline 和 template 的话会强制我们包含实现,从而了增加头文件的内容,减慢编译速度。使用之前,权衡一下。

避免 inline 复杂函数,不过其实即使你声明了 inline,编译器也是自己看着来,所以一般不需特别注意。

根据标准,template 是不经过预编译,直接从源文件导入,在工程编译的时候编译的。比如所有接受数据类型名为参数的 template,几乎必须是在编译的时候才能确定到底是什么,然后直接展开到源代码里面去。举个例子,写个简单的max函数:

template <typename tname>
tname max(tname a, tname b){
    return a > b? a: b;
}

如果这个 max 函数用在了 double 和 int 两种类型上,那么实际上就会编译出两个 max 函数。而整个 STL 就是一大堆模板混来混去,你用一个 vector,就至少带了一个 less 方法,即使你用不到。

不改代码:借助硬件性能

  • Visual studio 和 make 都支持并行编译;
  • 使用分布式编译工具,如 IncrediBuild;
  • 用固态硬盘;
  • 添加编译缓存 ccache。
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