虛函數(shù)真的就那么慢嗎？它的開(kāi)銷究竟在哪里？來(lái)看這4段代碼！
想必很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)虛函數(shù)開(kāi)銷大，貌似很多答案都說(shuō)是因?yàn)樘摵瘮?shù)表導(dǎo)致的那一次間接調(diào)用，真的如此嗎?
直接看下面這兩段代碼：
- #include <cmath>
- #include "timer.h"
- struct Base {
- public:
- virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; }
- };
- int main() {
- TimerLog t("timer");
- Base *a = new Base();
- int ai = 0;
- for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
- ai += a->f(i, 10);
- }
- cout << ai << endl;
- }
執(zhí)行時(shí)間：12.895s
- #include <cmath>
- #include "timer.h"
- struct Base {
- public:
- int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; }
- };
- int main() {
- TimerLog t("timer");
- Base *a = new Base();
- int ai = 0;
- for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
- ai += a->f(i, 10);
- }
- cout << ai << endl;
- }
執(zhí)行時(shí)間：12.706s
這兩段代碼的執(zhí)行時(shí)間幾乎沒(méi)有區(qū)別，可見(jiàn)虛函數(shù)表導(dǎo)致的那一次函數(shù)間接調(diào)用并不浪費(fèi)時(shí)間，所以虛函數(shù)的開(kāi)銷并不在重定向上，這一次重定向基本上不影響程序性能。
那它的開(kāi)銷究竟在哪里呢?看下面兩段代碼，這兩段代碼和上面相比只改動(dòng)了一行：
- #include <cmath>
- #include "timer.h"
- struct Base {
- public:
- virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; }
- };
- int main() {
- TimerLog t("timer");
- Base *a = new Base();
- int ai = 0;
- for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
- ai += a->f(10, i); // 這里有改動(dòng)
- }
- cout << ai << endl;
- }
執(zhí)行時(shí)間：436ms
- #include <cmath>
- #include "timer.h"
- struct Base {
- public:
- int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; }
- };
- int main() {
- TimerLog t("timer");
- Base *a = new Base();
- int ai = 0;
- for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
- ai += a->f(10, i); // 這里有改動(dòng)
- }
- cout << ai << endl;
- }
執(zhí)行時(shí)間154ms
這里看到，僅僅改變了一行代碼，虛函數(shù)調(diào)用就比普通函數(shù)慢了幾倍，為什么?
虛函數(shù)其實(shí)最主要的性能開(kāi)銷在于它阻礙了編譯器內(nèi)聯(lián)函數(shù)和各種函數(shù)級(jí)別的優(yōu)化，導(dǎo)致性能開(kāi)銷較大，在普通函數(shù)中l(wèi)og(10)會(huì)被優(yōu)化掉，它就只會(huì)被計(jì)算一次，而如果使用虛函數(shù)，log(10)不會(huì)被編譯器優(yōu)化，它就會(huì)被計(jì)算多次。如果代碼中使用了更多的虛函數(shù)，編譯器能優(yōu)化的代碼就越少，性能就越低。
虛函數(shù)通常通過(guò)虛函數(shù)表來(lái)實(shí)現(xiàn)，在虛表中存儲(chǔ)函數(shù)指針，實(shí)際調(diào)用時(shí)需要間接訪問(wèn)，這需要多一點(diǎn)時(shí)間。
然而這并不是虛函數(shù)速度慢的主要原因，真正原因是編譯器在編譯時(shí)通常并不知道它將要調(diào)用哪個(gè)函數(shù)，所以它不能被內(nèi)聯(lián)優(yōu)化和其它很多優(yōu)化，因此就會(huì)增加很多無(wú)意義的指令(準(zhǔn)備寄存器、調(diào)用函數(shù)、保存狀態(tài)等)，而且如果虛函數(shù)有很多實(shí)現(xiàn)方法，那分支預(yù)測(cè)的成功率也會(huì)降低很多，分支預(yù)測(cè)錯(cuò)誤也會(huì)導(dǎo)致程序性能下降。
如果你想要寫出高性能代碼并頻繁的調(diào)用虛函數(shù)，注意如果用其它的方式(例如if-else、switch、函數(shù)指針等)來(lái)替換虛函數(shù)調(diào)用并不能根本解決問(wèn)題，它還有可能會(huì)更慢，真正的問(wèn)題不是虛函數(shù)，而是那些不必要的間接調(diào)用。
正常的函數(shù)調(diào)用：
- 復(fù)制棧上的一些寄存器，以允許被調(diào)用的函數(shù)使用這些寄存器;
- 將參數(shù)復(fù)制到預(yù)定義的位置，這樣被調(diào)用的函數(shù)可以找到對(duì)應(yīng)參數(shù);
- 入棧返回地址;
- 跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的代碼，這是一個(gè)編譯時(shí)地址，因?yàn)榫幾g器/鏈接器硬編碼為二進(jìn)制;
- 從預(yù)定義的位置獲取返回值，并恢復(fù)想要使用的寄存器。
而虛函數(shù)調(diào)用與此完全不同，唯一的區(qū)別就是編譯時(shí)不知道函數(shù)的地址，而是：
- 從對(duì)象中獲取虛表指針，該指針指向一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組，每個(gè)指針對(duì)應(yīng)一個(gè)虛函數(shù);
- 從虛表中獲取正確的函數(shù)地址，放到寄存器中;
- 跳轉(zhuǎn)到該寄存器中的地址，而不是跳轉(zhuǎn)到一個(gè)硬編碼的地址。
通常，使用虛函數(shù)沒(méi)問(wèn)題，它的性能開(kāi)銷也不大，而且虛函數(shù)在面向?qū)ο蟠a中有強(qiáng)大的作用。
但是不能無(wú)腦使用虛函數(shù)，特別是在性能至關(guān)重要的或者底層代碼中，而且大項(xiàng)目中使用多態(tài)也會(huì)導(dǎo)致繼承層次很混亂。
那么有什么好方法替代虛函數(shù)呢?這里提供幾個(gè)思路，讀者請(qǐng)持續(xù)關(guān)注，后續(xù)會(huì)具體講解：
- 使用訪問(wèn)者模式來(lái)使類層次結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展;
- 使用普通模板替代繼承和虛函數(shù);
- C++20中的concepts用來(lái)替代面向?qū)ο蟠a;
- 使用variants替代虛函數(shù)或模板方法。
這幾種方法是Michael Spertus大佬介紹的，各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，作者都會(huì)用，但什么情況下使用哪個(gè)，取決于你自己的判斷，這里只是教你了一個(gè)工具，什么時(shí)候用都取決于你自己。
Michael Spertus
世界級(jí)C++技術(shù)權(quán)威
Michael Spertus是世界級(jí)C++技術(shù)權(quán)威。作為ISO C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)資深成員，Michael 曾遞交過(guò)50多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案，是內(nèi)存管理與性能調(diào)優(yōu)方面公認(rèn)的技術(shù)權(quán)威。他目前是Symantec的技術(shù)院士與首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)云端安全服務(wù)。同時(shí)在芝加哥大學(xué)任教。Michael 自1980開(kāi)始沉迷軟件設(shè)計(jì)，是IBM PC第一個(gè)商用C語(yǔ)言編譯器的作者，并曾創(chuàng)辦 Geodesic，后被VERITAS收購(gòu)。
參考資料
https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/191637/in-c-why-and-how-are-virtual-functions-slower
