Question

从Optimizing Software in C++ (Section 7.1)，

静态数据的优点是可以将其初始化为所需的数据程序启动前的值。缺点是内存整个程序执行期间都会占用空间，即使变量仅在程序的一小部分中使用。 这使数据缓存效率较低。

在此static的用法除了在静态存储持续时间的确切情况下适用于C和C ++之外，均如此。

谁能阐明为什么静态持续时间变量的数据缓存效率低（或是否低）？这是一个具体的比较：

void foo() {
  static int static_arr[] = {/**/};
}
void bar() {
  int local_arr[] = {/**/};
}

我看不出任何理由说明静态数据与其他任何类型的数据都不一样。在给定的示例中，我认为foo会更快，因为执行堆栈不必加载static_arr，而在bar中，执行堆栈必须加载{{1 }}。在任何一种情况下，如果重复调用这些函数，则local_arr和static_arr都将被缓存。我错了吗？

Answer 1

通常，Agner Fog通常知道他在说什么。

如果我们在 7.1种不同类型的变量存储部分的上下文中阅读引号，我们会在开始时看到他所说的“ 效率较低的缓存”部分：

如果数据随机分散在内存中，则数据缓存效果不佳。它是因此了解变量的存储方式非常重要。存储原则是对于简单的变量，数组和对象也是如此。

因此，说static变量的缓存效率较低的想法是，存储变量的存储位置被“冷”（不再位于缓存中）的机会大于堆栈存储器的机会，具有自动存储期限的变量将存储在哪里。

考虑到缓存和分页，是数据存储的物理和时间局部性的组合会影响性能。

Answer 2

该语句是否有意义取决于您的标点方式：

阅读1：

静态数据的优点是可以在程序启动之前将其初始化为所需的值。缺点是，即使变量仅在程序的一小部分中使用，整个程序执行仍会占用存储空间。

以上所有使数据缓存效率降低。

这是胡说八道。

阅读2：

静态数据的优点是可以在程序启动之前将其初始化为所需的值。

缺点是在整个程序执行过程中都会占用内存空间...

...即使该变量仅在程序的一小部分中使用。在某些情况下，这可能会使数据缓存效率降低。

在这种情况下，静态变量将被分配存储在一个页面中，该页面不总是被交换，或者位于一个很少使用的高速缓存行中。您可能会导致高速缓存未命中，或者从理论上讲，在最坏的情况下可能会导致页面错误（尽管坦白地说，这几天我们可以使用大量物理内存，如果发生这种情况，则可能会遇到更大的问题）。

在您演示的特定情况下，答案将是“取决于”。

是的，static_arr的初始化是一次性的操作，因此可以认为是无成本的。

是的，local_arr的初始化在每次调用函数时发生，但是可能是这样的：

此初始化很简单，或者
作为优化过程的一部分，编译器将忽略初始化

通常，除非您有特定的优化想法，否则最好编写明确声明您想要的行为的代码，即：

当变量/数组的值在连续调用该函数后仍可继续使用时，请使用静态变量（具有静态存储持续时间的变量）。
当现有值在函数进入或退出时无意义时，请使用局部变量（严格来说是具有自动存储期限的变量）。

您会发现，在几乎所有情况下，编译器都会在优化通过后执行最高效的操作。

在特定情况下，静态初始化为Better（tm）。在（例如）需要动态分配的缓冲区的情况下。您可能不希望在每次通话时都产生分配/取消分配的费用。您可能希望缓冲区在需要时动态增长，并根据将来的操作可能再次需要内存的情况保持增长。

在这种情况下，变量的实际状态是其分配的缓冲区的大小。因此，状态对于函数的进入和退出很重要，例如：

  std::string const& to_string(json const& json_object)
  {
    static thread_local buffer;               // thread-safe, auto-expanding buffer storage
    buffer.clear();                           // does not release memory
    serialise_to_string(buffer, json_object); // may allocate memory occasionally
    return buffer;
  }

Answer 3

rustyx的回答对此进行了解释。局部变量存储在堆栈中。当函数返回时释放堆栈空间，并在调用下一个函数时重新使用堆栈空间。局部变量的缓存效率更高，因为相同的存储空间可以一次又一次地被重用，而静态变量则分散在不同的存储器地址中，而这些地址永远都不能再用于其他目的。静态数据是存储在DATA节中（初始化）还是BSS节（未初始化）在这方面没有区别。栈顶空间很可能在整个程序执行期间保持高速缓存，并且会多次重复使用。

另一个优点是可以使用相对于堆栈指针的8位偏移量访问有限数量的局部变量，而静态变量则需要32位绝对地址（在32位x86中）或32位相对地址（在x86-64中）。换句话说，局部变量可以使代码更紧凑，并提高代码缓存和数据缓存的利用率。

// Example
int main () {
  f();
  g();
  return 0;
}

void f() {
   int x; 
   ...
}

void g() {
   int y;  // y may occupy the same memory address as x
   ...
}

静态变量会阻碍数据缓存吗？

3 个答案: