避免虚函数

Question

所以假设我想创建一系列类，每个类都有一个具有相同内容的成员函数。让我们调用函数

void doYourJob();

我想最终将所有这些类放入同一个容器中，这样我就可以遍历它们并让每个类都执行 'doYourJob()'

显而易见的解决方案是用函数制作一个抽象类

 virtual void doYourJob();

但我犹豫不决。这是一个耗时的程序，而虚函数会大大减少它。此外，这个函数是类之间唯一的共同点，并且 doYourJob 对每个类的实现完全不同。

有没有办法避免使用带有虚函数的抽象类，还是我不得不接受它？

Answer 1

我担心循环中的一系列dynamic_cast 检查会使性能比虚函数更差。如果您要将它们全部放入一个容器中，它们需要有某种共同的类型，因此您不妨将其设置为包含该方法的纯虚拟基类。

在这种情况下，虚函数调度并没有那么多：vtable 查找、对提供的 this 指针的调整以及间接调用。

如果性能如此关键，您也许可以为每个子类型使用单独的容器并独立处理每个容器。如果顺序很重要，你会做很多后空翻，以至于虚拟调度可能更快。

Answer 2

如果您要将所有这些对象存储在同一个容器中，那么您将不得不编写一个异构容器类型（缓慢且昂贵），您将不得不存储一个容器void *s（糟糕！），否则这些类将不得不通过继承相互关联。如果您选择使用前两个选项中的任何一个，则必须有一些逻辑来查看容器中的每个元素，找出它是什么类型，然后调用适当的 doYourJob() 实现，它本质上归结为继承。

我强烈建议首先尝试使用继承的简单、直接的方法。如果这足够快，那就太好了！你完成了。如果不是，请尝试使用其他方案。永远不要因为成本而回避有用的语言功能，除非你有一些好的证据表明成本太高。

Answer 3

虚拟功能的成本并不高。它们是间接调用，基本上就像函数指针。 What is the performance cost of having a virtual method in a C++ class?

如果您处于每次调用的每个周期都很重要的情况，也就是说您在函数调用中做的工作很少，并且您在性能关键应用程序中从内部循环调用它，您可能需要一个不同的完全接近。

Answer 4

如果您需要速度，请考虑在对象中嵌入“类型（识别）编号”，并使用 switch 语句选择特定类型的代码。这可以完全避免函数调用开销——只需进行本地跳转。你不会比这更快。成本（在可维护性、重新编译依赖性等方面）是强制本地化（在开关中）特定类型的功能。

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实施

#include <iostream>
#include <vector>

// virtual dispatch model...

struct Base
{
    virtual int f() const { return 1; }
};

struct Derived : Base
{
    virtual int f() const { return 2; }
};

// alternative: member variable encodes runtime type...

struct Type
{
    Type(int type) : type_(type) { }
    int type_;
};

struct A : Type
{
    A() : Type(1) { }
    int f() const { return 1; }
};

struct B : Type
{
    B() : Type(2) { }
    int f() const { return 2; }
};

struct Timer
{
    Timer() { clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &from); }
    struct timespec from;
    double elapsed() const
    {
        struct timespec to;
        clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, &to);
        return to.tv_sec - from.tv_sec + 1E-9 * (to.tv_nsec - from.tv_nsec);
    }
};

int main(int argc)
{
  for (int j = 0; j < 3; ++j)
  {
    typedef std::vector<Base*> V;
    V v;

    for (int i = 0; i < 1000; ++i)
        v.push_back(i % 2 ? new Base : (Base*)new Derived);

    int total = 0;

    Timer tv;

    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        for (V::const_iterator i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
            total += (*i)->f();

    double tve = tv.elapsed();

    std::cout << "virtual dispatch: " << total << ' ' << tve << '\n';

    // ----------------------------

    typedef std::vector<Type*> W;
    W w;

    for (int i = 0; i < 1000; ++i)
        w.push_back(i % 2 ? (Type*)new A : (Type*)new B);

    total = 0;

    Timer tw;

    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        for (W::const_iterator i = w.begin(); i != w.end(); ++i)
        {
            if ((*i)->type_ == 1)
                total += ((A*)(*i))->f();
            else
                total += ((B*)(*i))->f();
        }

    double twe = tw.elapsed();

    std::cout << "switched: " << total << ' ' << twe << '\n';

    // ----------------------------

    total = 0;

    Timer tw2;

    for (int i = 0; i < 100000; ++i)
        for (W::const_iterator i = w.begin(); i != w.end(); ++i)
            total += (*i)->type_;

    double tw2e = tw2.elapsed();

    std::cout << "overheads: " << total << ' ' << tw2e << '\n';
  }
}

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性能结果

在我的 Linux 系统上：

~/dev  g++ -O2 -o vdt vdt.cc -lrt
~/dev  ./vdt                     
virtual dispatch: 150000000 1.28025
switched: 150000000 0.344314
overhead: 150000000 0.229018
virtual dispatch: 150000000 1.285
switched: 150000000 0.345367
overhead: 150000000 0.231051
virtual dispatch: 150000000 1.28969
switched: 150000000 0.345876
overhead: 150000000 0.230726

这表明内联类型数字切换方法的速度大约是 (1.28 - 0.23) / (0.344 - 0.23) = 9.2 倍。当然，这特定于测试的确切系统/编译器标志和版本等，但通常是指示性的。

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评论重新虚拟发送

必须说，尽管虚函数调用开销很少是重要的，而且仅适用于经常调用的琐碎函数（如 getter 和 setter）。即使这样，您也可以提供一个函数来一次获取和设置很多东西，从而最大限度地降低成本。人们太担心虚拟调度——所以在找到尴尬的替代方案之前做分析。它们的主要问题是它们执行了离线函数调用，尽管它们也会使执行的代码离域，这会改变缓存使用模式（更好或更经常）。