学习路径

本指南提供按从入门到进阶排序的 HPC 优化学习顺序。

先决条件

开始前建议具备：

• 基础 C++ 知识（类、模板、STL）
• 命令行工具使用经验
• 计算机体系结构基础概念

阶段 1：构建系统基础

1.1 现代 CMake（examples/01-cmake-modern）

从这里开始了解项目结构与构建系统。

主题：

• 为什么目标驱动的 CMake 优于目录驱动
• 使用 target_include_directories 而非 include_directories
• 使用 FetchContent 管理依赖
• 通过 CMake 预设实现可复现构建

练习：

1. 使用不同预设构建项目
2. 使用模板新增一个示例模块
3. 对比反模式与最佳实践的 CMakeLists.txt

阶段 2：内存基础

2.1 数据布局 - AOS vs SOA（examples/02-memory-cache/src/aos_vs_soa.cpp）

理解数据布局是缓存优化的基础。

关键概念：

• 缓存行与空间局部性
• 结构体数组 vs 数组结构体
• 何时选用不同布局

基准：

./build/release/examples/02-memory-cache/bench/aos_soa_bench

2.2 内存对齐（examples/02-memory-cache/src/alignment.cpp）

理解对齐如何影响 SIMD 性能。

关键概念：

• alignas 说明符
• 对齐内存分配
• SIMD 对齐要求

2.3 伪共享（examples/02-memory-cache/src/false_sharing.cpp）

多线程性能的关键问题。

关键概念：

• 缓存行竞争
• 使用 alignas(64) 进行缓存行填充
• 使用 perf 检测伪共享

2.4 预取（examples/02-memory-cache/src/prefetch.cpp）

高级内存优化技术。

关键概念：

• __builtin_prefetch 用法
• 预取距离调优
• 预取何时有用（何时无用）

阶段 3：现代 C++ 性能

3.1 编译期计算（examples/03-modern-cpp/src/compile_time.cpp）

将计算从运行期移至编译期。

关键概念：

• constexpr 函数与变量
• consteval 保证编译期求值
• 模板元编程基础

3.2 移动语义（examples/03-modern-cpp/src/move_semantics.cpp）

避免不必要的拷贝。

关键概念：

• 右值引用
• 移动构造与赋值
• std::move 用法

3.3 Vector 容量管理（examples/03-modern-cpp/src/vector_reserve.cpp）

优化容器使用方式。

关键概念：

• reserve() 与自动扩容
• 分配次数统计
• 容量与大小的区别

3.4 C++20 Ranges（examples/03-modern-cpp/src/ranges_vs_loops.cpp）

现代迭代模式。

关键概念：

• Range 适配器与视图
• 惰性求值
• 与裸循环的性能对比

阶段 4：SIMD 向量化

4.1 自动向量化（examples/04-simd-vectorization/src/auto_vectorize.cpp）

让编译器完成向量化。

关键概念：

• 适合向量化的代码模式
• 编译器向量化报告
• 常见向量化阻碍

编译器参数：

# GCC 向量化报告
-fopt-info-vec-optimized

# Clang 向量化报告
-Rpass=loop-vectorize

4.2 SIMD 内在函数（examples/04-simd-vectorization/src/intrinsics_intro.cpp）

手动向量化以获得最大控制力。

关键概念：

• SSE、AVX2、AVX-512 指令集
• 内在函数
• SIMD 数据对齐

4.3 SIMD 封装（examples/04-simd-vectorization/include/simd_wrapper.hpp）

可读的 SIMD 代码。

关键概念：

• 封装内在函数
• 标量回退实现
• 类型安全的 SIMD 操作

阶段 5：并发编程

5.1 原子操作（examples/05-concurrency/src/atomic_ordering.cpp）

无锁编程的基础。

关键概念：

• std::atomic 基础
• 内存序（relaxed、acquire、release、seq_cst）
• 不同内存序的使用场景

5.2 无锁队列（examples/05-concurrency/src/lock_free_queue.cpp）

实用的无锁数据结构。

关键概念：

• SPSC 队列设计
• 实践中的内存序
• 正确性验证

5.3 OpenMP（examples/05-concurrency/src/openmp_basics.cpp）

简单并行化。

关键概念：

• #pragma omp parallel for
• 归约
• 线程扩展性

阶段 6：性能分析与诊断

6.1 基准测试

学会正确测量。

主题：

• Google Benchmark 用法
• DoNotOptimize 与 ClobberMemory
• 参数化基准

6.2 性能分析

定位性能瓶颈。

工具：

• perf 进行 CPU 采样
• FlameGraph 可视化
• 缓存未命中分析

详见 性能分析指南。

推荐学习计划

下一步

完成学习路径后：

1. 分析你自己的代码以定位瓶颈
2. 应用相关优化
3. 度量改进效果
4. 为本项目贡献新的示例！