高頻交易 C++ 開發技術指南
目錄
核心編程原則
1. 強類型系統的重要性
永遠不要直接使用原始類型（如 int），而是要創建自定義類型：
// ❌ 不好的做法
int price = 100;
int quantity = 50;
// ✅ 好的做法
class Price { /* ... */ };
class Quantity { /* ... */ };
優點：
- 類型安全：編譯器能在編譯時期捕捉錯誤
- 自我文檔化：程式碼更容易理解
- 防止誤用：不會不小心把價格當成數量使用
2. 串流（Streams）的正確使用
串流並不慢，關鍵是要知道如何正確使用：
- 提供類型安全的輸出
- 支援高效的緩衝
- 避免格式化字串的開銷
- 使用
std::format來實作串流物件
3. 真正的 OOP 理解
- 沒有 getter/setter：物件應該封裝行為，而不是暴露資料
- 小而精的物件：每個物件只負責一件事
- 組合優於繼承：透過組合小物件來構建複雜功能
- 訊息傳遞：物件之間通過訊息（在 C++ 中用串流實現）進行通信
💡 建議研究 Smalltalk（Squeak 實作）來理解純粹的 OOP
性能優化策略
1. 資料導向設計（Data-Oriented Design）
- 優先考慮資料的佈局和存取模式
- 批次處理比逐個處理更有效率
- 記憶體局部性（cache locality）至關重要
- 現代的資料導向設計 = 80年代的批次處理
2. 並發、並行與執行緒
並發 ≠ 並行 ≠ 執行緒
關鍵觀點：
- 並發：多個任務在邏輯上同時進行
- 並行：多個任務在物理上同時執行（使用執行緒）
- IO 原則：永遠不要在次要執行緒上做 IO
- 擴展性：執行緒無法隨 IO 擴展（參考 Apache fork v2）
3. 程序（Process）架構
決策邏輯分離 → 多個專門的程序
↓
零拷貝通信（頁面傳遞）
↓
避免共享可寫記憶體
零拷貝通信技術
核心概念
- 共享記憶體映射
// 創建共享記憶體
int shm_fd = shm_open(name, O_CREAT | O_RDWR, 0666);
ftruncate(shm_fd, size);
// 映射到進程地址空間 - 零拷貝的關鍵
void* ptr = mmap(nullptr, size,
PROT_READ | PROT_WRITE,
MAP_SHARED, shm_fd, 0);
- 頁面傳遞（vmsplice）
struct iovec iov = {
.iov_base = buffer,
.iov_len = size
};
// 將頁面所有權轉移給內核，完全零拷貝
vmsplice(pipe_fd, &iov, 1, SPLICE_F_GIFT);
- 直接傳輸（splice/sendfile）
// 在內核空間直接移動資料
splice(fd_in, nullptr, fd_out, nullptr, size, SPLICE_F_MOVE);
// 零拷貝發送文件
sendfile(socket_fd, file_fd, &offset, count);
實戰技巧
- 使用環形緩衝區避免資料移動
- 使用大頁面（2MB）提高 TLB 效率
- 使用
mlock鎖定記憶體防止交換 - 對齊到快取行（64 bytes）避免 false sharing
編譯器自動 SIMD 優化
1. 編寫編譯器友好的程式碼
// ✅ 容易向量化的程式碼
void simple_loop(float* __restrict a,
float* __restrict b,
float* __restrict c,
int n) {
#pragma omp simd
for (int i = 0; i < n; i++) {
c[i] = a[i] * b[i]; // 簡單操作
}
}
2. 使用 Structure of Arrays (SoA)
// ❌ Array of Structures (AoS) - 不利於 SIMD
struct TickDataAoS {
float price, volume, bid, ask;
};
// ✅ Structure of Arrays (SoA) - 有利於 SIMD
struct TickDataSoA {
float* prices;
float* volumes;
float* bids;
float* asks;
};
3. 編譯器提示
// 告訴編譯器指針不重疊
float* __restrict a;
// 告訴編譯器資料對齊
__builtin_assume_aligned(ptr, 32);
// 提示編譯器進行向量化
#pragma GCC ivdep
#pragma omp simd
#pragma vector aligned
4. 編譯選項
# GCC/G++
g++ -O3 -march=native -mavx2 -mfma \
-ffast-math -funroll-loops -ftree-vectorize
# Clang
clang++ -O3 -march=native -mavx2 -ffast-math \
-Rpass=loop-vectorize
# Intel ICC
icc -O3 -xHost -qopt-report=5
關鍵路徑優化
1. 零日誌記錄策略
在關鍵交易路徑上完全不記錄日誌：
關鍵路徑 → 無日誌
↓
被動網路監聽（旁路）
↓
封包擷取記錄
↓
事後重播除錯
2. 硬體加速
- 專用網路卡：600ns 延遲（2萬美元）
- FPGA 加速：關鍵運算硬體化
- 精簡功能：網路卡甚至不處理 ICMP
💡 硬體投資往往比一週的開發時間更划算
實戰建議
開發原則
-
遵循標準
- MISRA 準則（安全關鍵系統）
- 關鍵系統準則
- 核心準則（Core Guidelines）
-
語言選擇的迷思
- 語言本身不是關鍵（Java、C#、C++ 都可以很快）
- 重要的是對語言的深入理解
- 正確的架構設計比語言選擇更重要
-
優化策略
- 識別關鍵路徑並極致優化
- 其他部分保持簡單和可維護
- 測量效能，避免過早優化
關鍵技術總結
| 技術領域 | 關鍵技術 | 效果 |
|---|---|---|
| 記憶體 | 零拷貝、共享記憶體、大頁面 | 減少延遲 |
| CPU | 編譯器自動 SIMD、SoA 佈局 | 提高吞吐量 |
| IO | 非同步 IO、批次處理 | 提高擴展性 |
| 架構 | 程序分離、專用硬體 | 系統性優化 |
反模式警告 ⚠️
- 不要手寫複雜的 SIMD 程式碼
- 不要在執行緒上做 IO
- 不要使用原始迴圈
- 不要忽視資料佈局
- 不要在關鍵路徑上記錄日誌
總結
在 HFT 領域成功的關鍵不是使用最新的技術或最難的程式碼，而是：
- 🎯 深入理解你的工具和環境
- ⚡ 針對關鍵路徑進行極致優化
- 🔧 其他部分保持簡單和可維護
- 🚀 善用硬體加速
- 📊 避免過早優化和過度工程
"好的 C++ 程式碼會用到很多使用者自訂型別。要花很多耐心和痛苦，才能讓你停止鬼混，開始寫好的程式碼。"
這種方法論不僅適用於 HFT，也適用於任何需要極致性能的系統開發。