优化跳转与分支  

在现代处理器流水线中，指令和数据是分阶段获取和解码的。当遇到分支指令时，处理器会尝试预测将执行哪个分支，并从该分支获取和解码指令。然而，如果分支预测错误，处理器需要花费 10 个或更多时钟周期 才能检测到错误。随后，它必须花费更多时钟周期从正确的分支重新获取指令并执行。因此，分支预测错误会浪费大量时钟周期。

C++ 中常见的跳转与分支形式  

1. if-else 分支  
if-else 是最常见的分支形式。当条件链较长时，应尽量避免，因为随着条件增多，预测正确的难度会显著增加。优化方法是：  
• 减少条件数量。

• 结构化条件，使其更易预测。

2. for 和 while 循环  
循环本质上是分支的一种，通常在循环计数较小时预测效果较好。然而，嵌套循环或包含难以预测退出条件的循环会使分支预测变得复杂。

3. switch 语句  
switch 是一种具有多个跳转目标的分支形式，因此难以预测。如果 case 标签值分布较广，编译器可能将其实现为一系列 if-else 分支树，效率较低。  
优化技巧：  
• 将 case 标签值按升序排列且递增 1（如 1, 2, 3），这样编译器更可能将其实现为 跳转表（jump table），效率显著提高。

4. 替换分支为查表法  
在源代码中，用查表法替代分支是一种有效的优化方法。例如，通过预先计算不同输入对应的输出值并存储在表中，直接查表获取结果。  
• 也可以创建函数指针表，根据跳转条件索引调用函数，但函数指针的效率通常并不比分支本身高很多。

5. 循环展开（Loop Unrolling）  
如果循环中包含难以预测的分支，可能导致大量分支预测错误。通过 循环展开，可以减少分支检查的次数。  
• 原理：将循环体复制多次，避免重复的分支判断。

• 实现方式：编译器通常会尝试自动展开循环，但手动展开效果更好。

示例：  
以下是一个简单的循环（loop_unroll.cpp，GitHub 第三章）：  

int a[5];
a[0] = 0;
for (int i = 1; i < 5; ++i)
    a[i] = a[i - 1] + 1;

编译器可能将其展开为：  

int a[5];
a[0] = 0;
a[1] = a[0] + 1; 
a[2] = a[1] + 1;
a[3] = a[2] + 1; 
a[4] = a[3] + 1;

注意：对于更复杂的循环，编译器可能会结合其他优化进一步简化代码。

6. 编译时分支（if constexpr）  
使用 if constexpr (condition-expression) {} 可以在编译时完成分支判断，将分支开销转移到编译阶段。  
• 要求：condition-expression 必须是编译时可计算的表达式。

• 原理：这属于 编译时多态 或 模板元编程 的一部分，我们将在后续章节详细讨论。

7. 分支预测提示  
开发者可以通过源代码提供分支预测提示，帮助处理器优化分支预测。  
• GNU C++ 中使用 __builtin_expect：

#define LIKELY_CONDITION(x) __builtin_expect(!!(x), 1)
#define UNLIKELY_CONDITION(x) __builtin_expect(!!(x), 0)

 • LIKELY_CONDITION(x)：提示 x 很可能为真。

• UNLIKELY_CONDITION(x)：提示 x 很可能为假。

• C++20 标准化：引入了 [[likely]] 和 [[unlikely]] 属性：

if (LIKELY_CONDITION(condition)) {
    // 可能执行的代码
} else {
    // 不太可能执行的代码
}

注意：现代处理器通常能通过多次迭代学习分支行为，因此分支预测提示的整体影响有限，但在某些特定场景下仍有优化价值。