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想必很多人都聽說過虛函數(shù)開銷大，貌似很多答案都說是因為虛函數(shù)表導致的那一次間接調(diào)用，真的如此嗎?

直接看下面這兩段代碼：

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(i, 10); 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執(zhí)行時間：12.895s

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(i, 10); 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執(zhí)行時間：12.706s

這兩段代碼的執(zhí)行時間幾乎沒有區(qū)別，可見虛函數(shù)表導致的那一次函數(shù)間接調(diào)用并不浪費時間，所以虛函數(shù)的開銷并不在重定向上，這一次重定向基本上不影響程序性能。

那它的開銷究竟在哪里呢?看下面兩段代碼，這兩段代碼和上面相比只改動了一行：

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(10, i); // 這里有改動 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執(zhí)行時間：436ms

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(10, i); // 這里有改動 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執(zhí)行時間154ms

這里看到，僅僅改變了一行代碼，虛函數(shù)調(diào)用就比普通函數(shù)慢了幾倍，為什么?

虛函數(shù)其實最主要的性能開銷在于它阻礙了編譯器內(nèi)聯(lián)函數(shù)和各種函數(shù)級別的優(yōu)化，導致性能開銷較大，在普通函數(shù)中l(wèi)og(10)會被優(yōu)化掉，它就只會被計算一次，而如果使用虛函數(shù)，log(10)不會被編譯器優(yōu)化，它就會被計算多次。如果代碼中使用了更多的虛函數(shù)，編譯器能優(yōu)化的代碼就越少，性能就越低。

虛函數(shù)通常通過虛函數(shù)表來實現(xiàn)，在虛表中存儲函數(shù)指針，實際調(diào)用時需要間接訪問，這需要多一點時間。

然而這并不是虛函數(shù)速度慢的主要原因，真正原因是編譯器在編譯時通常并不知道它將要調(diào)用哪個函數(shù)，所以它不能被內(nèi)聯(lián)優(yōu)化和其它很多優(yōu)化，因此就會增加很多無意義的指令(準備寄存器、調(diào)用函數(shù)、保存狀態(tài)等)，而且如果虛函數(shù)有很多實現(xiàn)方法，那分支預測的成功率也會降低很多，分支預測錯誤也會導致程序性能下降。

如果你想要寫出高性能代碼并頻繁的調(diào)用虛函數(shù)，注意如果用其它的方式(例如if-else、switch、函數(shù)指針等)來替換虛函數(shù)調(diào)用并不能根本解決問題，它還有可能會更慢，真正的問題不是虛函數(shù)，而是那些不必要的間接調(diào)用。

正常的函數(shù)調(diào)用：

1. 復制棧上的一些寄存器，以允許被調(diào)用的函數(shù)使用這些寄存器;
2. 將參數(shù)復制到預定義的位置，這樣被調(diào)用的函數(shù)可以找到對應參數(shù);
3. 入棧返回地址;
4. 跳轉(zhuǎn)到函數(shù)的代碼，這是一個編譯時地址，因為編譯器/鏈接器硬編碼為二進制;
5. 從預定義的位置獲取返回值，并恢復想要使用的寄存器。

而虛函數(shù)調(diào)用與此完全不同，唯一的區(qū)別就是編譯時不知道函數(shù)的地址，而是：

1. 從對象中獲取虛表指針，該指針指向一個函數(shù)指針數(shù)組，每個指針對應一個虛函數(shù);
2. 從虛表中獲取正確的函數(shù)地址，放到寄存器中;
3. 跳轉(zhuǎn)到該寄存器中的地址，而不是跳轉(zhuǎn)到一個硬編碼的地址。

通常，使用虛函數(shù)沒問題，它的性能開銷也不大，而且虛函數(shù)在面向?qū)ο蟠a中有強大的作用。

但是不能無腦使用虛函數(shù)，特別是在性能至關(guān)重要的或者底層代碼中，而且大項目中使用多態(tài)也會導致繼承層次很混亂。

那么有什么好方法替代虛函數(shù)呢?這里提供幾個思路，讀者請持續(xù)關(guān)注，后續(xù)會具體講解：

• 使用訪問者模式來使類層次結(jié)構(gòu)可擴展;
• 使用普通模板替代繼承和虛函數(shù);
• C++20中的concepts用來替代面向?qū)ο蟠a;
• 使用variants替代虛函數(shù)或模板方法。

這幾種方法是Michael Spertus大佬介紹的，各有各的優(yōu)缺點，作者都會用，但什么情況下使用哪個，取決于你自己的判斷，這里只是教你了一個工具，什么時候用都取決于你自己。

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Michael Spertus

世界級C++技術(shù)權(quán)威

Michael Spertus是世界級C++技術(shù)權(quán)威。作為ISO C++標準委員會資深成員，Michael 曾遞交過50多項標準提案，是內(nèi)存管理與性能調(diào)優(yōu)方面公認的技術(shù)權(quán)威。他目前是Symantec的技術(shù)院士與首席科學家，負責云端安全服務。同時在芝加哥大學任教。Michael 自1980開始沉迷軟件設計，是IBM PC第一個商用C語言編譯器的作者，并曾創(chuàng)辦 Geodesic，后被VERITAS收購。

參考資料

https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/191637/in-c-why-and-how-are-virtual-functions-slower