为什么将影响 lambda 的代码编译为 std::function 这么慢，尤其是使用 Clang？答案

【问题标题】：Why is compiling a code affecting lambda to std::function so slow, in particular with Clang?为什么将影响 lambda 的代码编译为 std::function 这么慢，尤其是使用 Clang？
【发布时间】：2019-03-01 03:12:10
【问题描述】：

我发现，将 lambda 函数转换为 std::function<> 值的相对少量代码的编译时间可能非常长，尤其是使用 Clang 编译器。

考虑以下创建 100 个 lambda 函数的虚拟代码：

#if MODE==1
#include <functional>
using LambdaType = std::function<int()>;
#elif MODE==2
using LambdaType = int(*)();
#elif MODE==3
#include "function.h" // https://github.com/skarupke/std_function
using LambdaType = func::function<int()>;
#endif

static int total=0;

void add(LambdaType lambda)
{
    total += lambda();
}

int main(int argc, const char* argv[])
{
    add([]{ return 1; });
    add([]{ return 2; });
    add([]{ return 3; });
    // 96 more such lines...
    add([]{ return 100; });

    return total == 5050 ? 0 : 1;
}

根据 MODE 预处理器宏，该代码可以在以下三种方式之间进行选择，以将 lambda 函数传递给 add 函数：

std::function<>模板类
一个简单的 C 函数指针（这里可能只是因为没有捕获）
由 Malte Skarupke (https://probablydance.com/2013/01/13/a-faster-implementation-of-stdfunction/) 编写的 std::function 的快速替换

无论何种模式，程序总是以常规的0 错误代码退出。但是现在看看 Clang 的编译时间：

$ time clang++ -c -std=c++11 -DMODE=1 lambdas.cpp 
real    0m8.162s
user    0m7.828s
sys 0m0.318s

$ time clang++ -c -std=c++11 -DMODE=2 lambdas.cpp 
real    0m0.109s
user    0m0.056s
sys 0m0.046s

$ time clang++ -c -std=c++11 -DMODE=3 lambdas.cpp 
real    0m0.870s
user    0m0.814s
sys 0m0.051s

$ clang++ --version
Apple LLVM version 10.0.0 (clang-1000.11.45.2)
Target: x86_64-apple-darwin17.7.0
Thread model: posix
InstalledDir: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Toolchains/XcodeDefault.xctoolchain/usr/bin

哇。 std::function 和指向函数模式的指针之间有 80 倍的编译时间差异！ std::function 和它的替代品之间甚至相差 10 倍。

怎么可能？是否存在特定于 Clang 的性能问题，还是由于 std::function 要求的固有复杂性？

我尝试使用 GCC 5.4 和 Visual Studio 2015 编译相同的代码。编译时间也有很大差异，但没有那么大。

GCC：

$ time g++ -c -std=c++11 -DMODE=1 lambdas.cpp 
real    0m1.179s
user    0m1.080s
sys 0m0.092s

$ time g++ -c -std=c++11 -DMODE=2 lambdas.cpp 
real    0m0.136s
user    0m0.120s
sys 0m0.012s

$ time g++ -c -std=c++11 -DMODE=3 lambdas.cpp 
real    0m1.994s
user    0m1.792s
sys 0m0.196s

Visual Studio：

C:\>ptime cl /c /DMODE=1 /EHsc /nologo lambdas.cpp
Execution time: 2.411 s

C:\>ptime cl /c /DMODE=2 /EHsc /nologo lambdas.cpp
Execution time: 0.270 s

C:\>ptime cl /c /DMODE=3 /EHsc /nologo lambdas.cpp
Execution time: 1.122 s

我现在正在考虑使用 Malte Skarupke 的实现，既要稍微提高运行时性能，又要大幅提高编译时间。

【问题讨论】：

你看过生成的程序集了吗？也许正在进行一些花哨的优化。
有趣的事实：使用-O3 gcc 将函数指针版本优化为 37 行汇编（在我的机器上）。我认为它可以在编译时计算结果 5050。作为比较：对于std::function，gcc 生成大约 8000 行汇编。使用std::function 时似乎涉及很多复杂性，这可以解释编译时间。
@pschill 有趣的观察，GCC 在某些情况下确实可以做出很好的优化！我故意测量编译时间而不进行优化。不，我没有考虑查看生成的代码进行比较。

标签： c++ c++11 lambda clang std-function

【解决方案1】：

使用 --save-temps 选项查看编译器在每种情况下必须处理的内容。在我的带有 clang 6.0.1 的机器上，MODE=1 会生成一个 575K 的预处理文件，因为其中包含大量标准库头文件。 MODE=1 生成一个 416 byte 文件，比它小 1000 倍。生成的程序集也相差 10 倍。

【讨论】：

【解决方案2】：

我无法测试和解释您的示例，但是，从 Clang 9.0.0 开始，它可以对您的编译进行时间跟踪。请参阅phoronix article 了解印象和更多信息的链接。简而言之，您可以通过在命令行中添加 -ftime-trace 来获得它正在做什么的 json，您可以通过漂亮的图形将其可视化。

如果你发现一些非常奇怪的东西，你可以随时在 bugs.llvm.org 上记录一个错误，并且可以很好地重现（我认为改变这个问题的一些措辞会很好）

让我也添加一个关于测试代码的小评论。 std:: function 编译速度较慢我并不感到惊讶，因为这需要额外的包含来解析。（并且包含的标准库非常庞大）此外，对于运行时，缓慢的影响是合乎逻辑的，因为 std:: function 添加了许多无法优化的额外间接。

我建议添加一个第 4 年的案例，其中 add 是一个模板，函数类型是模板参数：

template<typename LambdaType>
void add(LambdaType &&lambda)
{
    total += lambda();
}

【讨论】：