可以使用 static_cast 避免 vtable 开销吗？

Question

这是我的问题。我有一个基类和一个派生类，它覆盖了基类中的一些方法。为简单起见，请考虑以下示例：

struct base
{
  virtual void fn()
  {/*base definition here*/}
};

struct derived : base 
{
  void fn()
  {/*derived definition here*/}
};

在我的实际程序中，这些类作为参数传递给其他类并在其他方法中调用，但为了简单起见，让我们创建一个简单的函数，将基类或派生类作为参数。我可以简单地写

void call_fn(base& obj)
{obj.fn();}

由于虚函数，对相应函数的调用将在运行时解决。

但是，我担心如果 call_fn 被调用一百万次（在我的情况下，它会因为我的实际应用程序是一个模拟实验），我会得到很大的开销，我想避免。

所以，我想知道使用 static_cast 是否真的可以解决这个问题。也许是这样的：

template <typename T>
void call_fn(base& obj)
{(static_cast<T*>(&obj))->fn();}

在这种情况下，函数调用将作为call_fn<base>(obj) 调用基方法或call_fn<derived>(obj) 调用派生方法。

此解决方案会避免 vtable 开销还是会受到影响？提前感谢您的任何回复！

顺便说一下，我知道 CRTP，但不是很熟悉。这就是为什么我想先知道这个简单问题的答案:)

Answer 1

此解决方案会避免 vtable 开销还是仍会受到影响？

它仍然会使用动态调度（是否会导致任何明显的开销是一个完全不同的问题）。您可以通过限定函数调用来禁用动态调度，如下所示：

static_cast<T&>(obj).T::fn();

虽然我什至不会尝试这样做。离开动态调度，然后测试应用程序的性能，做一些分析，做进一步的分析。再次分析以确保您了解分析器告诉您的内容。只有到那时，才考虑进行一次更改并再次配置文件以验证您的假设是否正确。

Answer 2

这并不是您实际问题的真正答案，但我很好奇“调用虚函数与​​调用常规类函数的开销究竟是什么”。为了让它“公平”，我创建了一个 classes.cpp，它实现了一个非常简单的功能，但它是一个在“main”之外编译的单独文件。

classes.h：

#ifndef CLASSES_H
#define CLASSES_H

class base
{
    virtual int vfunc(int x) = 0;
};

class vclass : public base
{
public:
    int vfunc(int x);
};


class nvclass
{
public:
    int nvfunc(int x);
};


nvclass *nvfactory();
vclass* vfactory();


#endif

classes.cpp：

#include "classes.h"

int vclass:: vfunc(int x)
{
    return x+1;
}


int nvclass::nvfunc(int x)
{
    return x+1;
}

nvclass *nvfactory()
{
    return new nvclass;
}

vclass* vfactory()
{
    return new vclass;
}

这是从以下位置调用的：

#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include "classes.h"

#if 0
#define ASSERT(x) do { if(!(x)) { assert_fail( __FILE__, __LINE__, #x); } } while(0)
static void assert_fail(const char* file, int line, const char *cond)
{
    fprintf(stderr, "ASSERT failed at %s:%d condition: %s \n",  file, line, cond); 
    exit(1);
}
#else
#define ASSERT(x) (void)(x)
#endif

#define SIZE 10000000

static __inline__ unsigned long long rdtsc(void)
{
    unsigned hi, lo;
    __asm__ __volatile__ ("rdtsc" : "=a"(lo), "=d"(hi));
    return ( (unsigned long long)lo)|( ((unsigned long long)hi)<<32 );
}


void print_avg(const char *str, const int *diff, int size)
{
    int i;
    long sum = 0;
    for(i = 0; i < size; i++)
    {
    int t = diff[i];
    sum += t;
    }

    printf("%s average =%f clocks\n", str, (double)sum / size);
}


int diff[SIZE]; 

int main()
{
    unsigned long long a, b;
    int i;
    int sum = 0;
    int x;

    vclass *v = vfactory();
    nvclass *nv = nvfactory();


    for(i = 0; i < SIZE; i++)
    {
    a = rdtsc();

    x = 16;
    sum+=x;
    b = rdtsc();

    diff[i] = (int)(b - a);
    }

    print_avg("Emtpy", diff, SIZE);


    for(i = 0; i < SIZE; i++)
    {
    a = rdtsc();

    x = 0;
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    x = v->vfunc(x);
    ASSERT(x == 4); 
    sum+=x;
    b = rdtsc();

    diff[i] = (int)(b - a);
    }

    print_avg("Virtual", diff, SIZE);

    for(i = 0; i < SIZE; i++)
    {
    a = rdtsc();
    x = 0;
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    x = nv->nvfunc(x);
    ASSERT(x == 4);     
    sum+=x;
    b = rdtsc();
    diff[i] = (int)(b - a);
    }
    print_avg("no virtual", diff, SIZE);

    printf("sum=%d\n", sum);

    delete v;
    delete nv;

    return 0;
}

代码的真正区别在于： 虚拟通话：

40066b: ff 10                   callq  *(%rax)

非虚调用：

4006d3: e8 78 01 00 00          callq  400850 <_ZN7nvclass6nvfuncEi>

结果：

Emtpy average =78.686081 clocks
Virtual average =144.732567 clocks
no virtual average =122.781466 clocks
sum=480000000

请记住，这是每个循环 16 次调用的开销，因此调用函数和不调用函数之间的差异是每次迭代大约 5 个时钟周期 [包括将结果和所需的其他处理相加]，并且虚拟调用增加了每次迭代 22 个时钟，因此每次调用大约 1.5 个时钟。

我怀疑你会注意到，假设你在你的函数中做了一些比 return x + 1 更有意义的事情。

Answer 3

VTable 位于您的类中。如果您有虚拟成员，他们将通过 VTable 访问。强制转换不会影响 VTable 是否存在，也不会影响成员的访问方式。

Answer 4

如果您有一个多态数组，其中元素是多态的，但所有元素都具有相同的类型，您也可以将 vtable 外部化。这允许您查找该函数一次，然后直接在每个元素上调用它。在这种情况下，C++ 对您没有帮助，您必须手动完成。

如果您正在对事物进行微优化，这也很有用。我相信Boost的功能使用了类似的技术。它只需要 vtable 中的两个函数（调用和释放引用），但编译器生成的一个还包含 RTTI 和其他一些东西，这可以通过手动编写一个只有这两个函数指针的 vtable 来避免。