面试题：C语言编译器优化之循环优化

Question

在C语言中，假设你有一个循环频繁执行数组元素的计算操作，简述C语言编译器可能采用哪些优化策略来提升这段循环代码的性能，并举例说明如何在代码层面进行调整配合编译器优化。

Answer 1

编译器可能采用的优化策略

1. 循环展开：减少循环控制的开销。例如将多次循环合并为一次执行。
2. 指令级并行：利用现代CPU的特性，同时执行多条不相关的指令。
3. 公共子表达式消除：对于循环中重复计算的表达式，只计算一次。

代码层面的调整

1. 循环展开示例

// 原始代码
int arr[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    arr[i] = arr[i] * 2 + 1;
}

// 循环展开后的代码
int arr[100];
for (int i = 0; i < 100; i += 4) {
    arr[i] = arr[i] * 2 + 1;
    arr[i + 1] = arr[i + 1] * 2 + 1;
    arr[i + 2] = arr[i + 2] * 2 + 1;
    arr[i + 3] = arr[i + 3] * 2 + 1;
}

2. 减少循环中的函数调用：如果循环内调用函数，尽量将函数内联或者将不变的函数调用提到循环外部。

// 原始代码
int func(int a) {
    return a * 2;
}
int arr[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    arr[i] = func(arr[i]) + 1;
}

// 调整后的代码，将函数内联
int arr[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    arr[i] = arr[i] * 2 + 1;
}

3. 使用指针代替数组下标：指针操作在某些情况下可能更快。

// 原始代码
int arr[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    arr[i] = arr[i] * 2 + 1;
}

// 使用指针的代码
int arr[100];
int *ptr = arr;
for (int i = 0; i < 100; i++) {
    *ptr = *ptr * 2 + 1;
    ptr++;
}