以非多态方式调用虚函数的成本是多少？

Question

我有一个纯抽象基类和两个派生类：

struct B { virtual void foo() = 0; };
struct D1 : B { void foo() override { cout << "D1::foo()" << endl; } };
struct D2 : B { void foo() override { cout << "D1::foo()" << endl; } };

在 A 点调用 foo 是否与调用非虚拟成员函数的成本相同？或者它是否比 D1 和 D2 不是从 B 派生的更昂贵？

int main() {
 D1 d1; D2 d2; 
 std::vector<B*> v = { &d1, &d2 };

 d1.foo(); d2.foo(); // Point A (polymorphism not necessary)
 for(auto&& i : v) i->foo(); // Polymorphism necessary.

 return 0;
}

答案： Andy Prowl 的答案是正确的答案，我只是想添加 gcc 的汇编输出（在 godbolt 中测试：gcc- 4.7 -O2 -march=native -std=c++11)。直接函数调用的成本是：

mov rdi, rsp
call    D1::foo()
mov rdi, rbp
call    D2::foo()

对于多态调用：

mov rdi, QWORD PTR [rbx]
mov rax, QWORD PTR [rdi]
call    [QWORD PTR [rax]]
mov rdi, QWORD PTR [rbx+8]
mov rax, QWORD PTR [rdi]
call    [QWORD PTR [rax]]

但是，如果对象不是从B 派生的，而您只是执行直接调用，gcc 将内联函数调用：

mov esi, OFFSET FLAT:.LC0
mov edi, OFFSET FLAT:std::cout
call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*)

如果D1 和D2 不是从B 派生的，这可以进一步优化，所以我猜不，它们不等效（在至少对于具有这些优化的这个版本的 gcc，-O3 在没有内联的情况下产生了类似的输出）。在D1 和D2 确实派生自B 的情况下，是否存在阻止编译器内联的东西？

“修复”：使用委托（也就是自己重新实现虚函数）：

struct DG { // Delegate
 std::function<void(void)> foo;
 template<class C> DG(C&& c) { foo = [&](void){c.foo();}; }
};

然后创建一个代表向量：

std::vector<DG> v = { d1, d2 };

如果您以非多态方式访问方法，这允许内联。但是，我猜访问向量会比只使用虚函数（还不能用 Godbolt 测试）要慢（或者至少一样快，因为std::function 使用虚函数进行类型擦除）。

Answer 1

在 A 点调用 foo 是否与调用非虚拟成员函数的成本相同？

是的。

或者它是否比 D1 和 D2 不是从 B 派生的更昂贵？

没有。

编译器将静态解析这些函数调用，因为它们不是通过指针或引用执行的。由于调用函数的对象的类型在编译时是已知的，因此编译器知道必须调用 foo() 的哪个实现。

Answer 2

最简单的解决方案是查看编译器的内部结构。在 Clang 中，我们在 lib/CodeGen/CGClass.cpp 中找到 canDevirtualizeMemberFunctionCall：

/// canDevirtualizeMemberFunctionCall - Checks whether the given virtual member
/// function call on the given expr can be devirtualized.
static bool canDevirtualizeMemberFunctionCall(const Expr *Base, 
                                              const CXXMethodDecl *MD) {
  // If the most derived class is marked final, we know that no subclass can
  // override this member function and so we can devirtualize it. For example:
  //
  // struct A { virtual void f(); }
  // struct B final : A { };
  //
  // void f(B *b) {
  //   b->f();
  // }
  //
  const CXXRecordDecl *MostDerivedClassDecl = getMostDerivedClassDecl(Base);
  if (MostDerivedClassDecl->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  // If the member function is marked 'final', we know that it can't be
  // overridden and can therefore devirtualize it.
  if (MD->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  // Similarly, if the class itself is marked 'final' it can't be overridden
  // and we can therefore devirtualize the member function call.
  if (MD->getParent()->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  Base = skipNoOpCastsAndParens(Base);
  if (const DeclRefExpr *DRE = dyn_cast<DeclRefExpr>(Base)) {
    if (const VarDecl *VD = dyn_cast<VarDecl>(DRE->getDecl())) {
      // This is a record decl. We know the type and can devirtualize it.
      return VD->getType()->isRecordType();
    }

    return false;
  }

  // We can always devirtualize calls on temporary object expressions.
  if (isa<CXXConstructExpr>(Base))
    return true;

  // And calls on bound temporaries.
  if (isa<CXXBindTemporaryExpr>(Base))
    return true;

  // Check if this is a call expr that returns a record type.
  if (const CallExpr *CE = dyn_cast<CallExpr>(Base))
    return CE->getCallReturnType()->isRecordType();

  // We can't devirtualize the call.
  return false;
}

我相信代码（和随附的 cmets）是不言自明的 :)