确定性时的虚函数开销（c ++）

Question

我知道虚函数本质上是包含在 vtable 中的函数指针，由于间接等原因，这使得多态调用变慢。 但是我想知道调用是确定性时的编译器优化。 确定性是指以下情况：

1. 对象是值而非引用，因此不可能存在多态性：

struct Foo
{
    virtual void DoSomething(){....}
};

int main()
{
    Foo myfoo;
    myfoo.DoSemthing();
    return 0;
}

1. 引用的是无子类：

struct Foo
{
    virtual void DoSomething();
};
struct Bar : public Foo
{
   virtual void DoSomething();
};

int main()
{
    Foo* a = new Foo();
    a->DoSomething(); //Overhead ? a doesn't seem to be able to change nature.

    Foo* b = new Bar();
    b->DoSomething(); //Overhead ? It's a polymorphic call, but b's nature is deterministic.

    Bar* c = new Bar();
    c->DoSomething(); //Overhead ? It is NOT possible to have an other version of the method than Bar::DoSomething
    return 0;
}

Answer 1

在第一种情况下，这不是虚拟呼叫。编译器会直接调用Foo::DoSomething()。

在第二种情况下，它更复杂。一方面，它充其量是链接时间优化，因为对于特定的翻译单元，编译器不知道还有谁可能从该类继承。您遇到的另一个问题是共享库，它也可能在您的可执行文件不知情的情况下继承。

不过，一般来说，这是一种编译器优化，称为虚拟函数调用消除，或去虚拟化，在某种程度上是一个活跃的研究领域。有些编译器在某种程度上做到了这一点，有些则根本不这样做。

参见，在 GCC (g++) 中，-fdevirtualize 和 -fdevirtualize-speculatively。这些名称暗示了质量保证水平。

Answer 2

在 Visual Studio 2013 中，即使行为是确定性的，也不会优化虚函数调用。

例如，

#include <iostream>

static int counter = 0;

struct Foo
{
    virtual void VirtualCall() { ++counter; }
    void RegularCall() { ++counter; }
};

int main()
{
    Foo* a = new Foo();
    a->VirtualCall(); //Overhead ? a doesn't seem to be able to change nature.
    a->RegularCall();
    std::cout << counter;
    return 0;
}

虚拟调用的机器代码如下所示：

a->VirtualCall()

  0001b 8b 01        mov     eax, DWORD PTR [ecx]
  0001d ff 10        call    DWORD PTR [eax]

常规调用的机器代码显示该函数已内联 - 没有函数调用：

 a->RegularCall()

  00         inc     DWORD PTR _counter

Answer 3

一般而言，您可以相信您的编译器优化器会做出正确的选择，当然这取决于优化设置。

为了概念证明，这里使用不同情况的代码，Foo 和 Bar 被定义为你所做的：

struct Tzar : public Foo
{
   void DoSomething() override final;  // this is a virtual than can't be overriden further
};

Foo* factory ();  
Bar* bar_factory(); 
Tzar* tsar_factory(); 

int main()
{
    Foo myfoo;
    myfoo.DoSomething();  // this is a direct call

    Foo* a = new Foo();
    a->DoSomething();  //Overhead only without optimisation: a is clearly a Foo, so Foo::DoSomething(). 

    Foo* b = new Bar();
    b->DoSomething(); //Overhead only without optimisation:  b is clearly a Bar, so Bar::DoSomething().

    Bar* c = new Bar();
    c->DoSomething(); //Overhead only without optimisation: c is clearly a Bar, so Bar::DoSomething

    Foo* d = factory(); 
    d->DoSomething();  // Overhead required:  we don't know the type of d, unless global optimisation could predict it

    a = d; 
    a->DoSomething();  //the unknown propagates to a, so now this call is indirect 

    Foo*e = bar_factory(); 
    e->DoSomething();  // Overhead required:  we don't know the type of e: could be a Bar or a furhter derivate unknown in this compilation unit

    Foo*f = tsar_factory(); 
    f->DoSomething();  // Overhead could be optimised away : we don't know the type of f, but f::DoSomething() can't be overriden further
                       // but currently it isn't

  return 0;
}

您可以找到为您使用 GCC 5.3.0 提交的所有案例生成的here the assembly code，而无需优化。它被着色以帮助您查看每个 C++ 语句的汇编代码。

第一次调用总是直接调用：

    lea     rax, [rbp-80]         ;  take the object pointer from the stack
    mov     rdi, rax              ;  set the this pointer of the invoking object
    call    Foo::DoSomething()    ; direct call to the function

如果不进行优化，DoSomething() 的所有其他调用将使用间接调用。这里是b->DoSomething()的例子：

    mov     rax, QWORD PTR [rbp-32]
    mov     rax, QWORD PTR [rax]
    mov     rax, QWORD PTR [rax]  ; load the function call from the vtable
    mov     rdx, QWORD PTR [rbp-32]
    mov     rdi, rax              ;  set the this pointer of the invoking object
    call    rax                   ; indirect call via register 

如果您现在在编译器选项中设置优化标志 -O2，您会看到大多数间接调用都被优化掉了，此时编译器可以预测多态指针的真实类型。在上面的示例中，它将是：

    mov     rdi, rax            ;  set the this pointer of the invoking object
    call    Bar::DoSomething()  ; direct call !! 

当编译器无法安全地预测真实类型时，它将使用间接调用。例如，如果您有一个函数bar_factory()，它返回一个Bar 指针，编译器无法知道它是否会返回一个指向Bar 对象或派生自Bar 的类的对象的指针（可以在另一个编译单元中定义，这里不知道）。

唯一出乎意料的是，当您将虚函数定义为最终覆盖时（在我的示例中为Tzar 类）。在这里，您可以期望编译器会利用 DoSomething() 不应该进一步派生的事实。但这不一定完成。