虚函数实现

Question

我一直在听这句话。Switch..Case对于代码维护是有害的，但它提供了更好的性能(因为编译器可以内联东西等)。虚函数非常适合代码维护，但它们会导致两个指针间接的性能损失。

假设我有一个基类，包含两个子类(X和Y)和一个虚拟函数，因此将有两个虚拟表。该对象有一个指针，它将根据该指针选择一个虚拟表。所以对于编译器来说，它更像是

switch( object's function ptr )
{

   case 0x....:

       X->call();

       break;

   case 0x....:

       Y->call();
};

既然编译器可以在这里做同样的内联和其他事情，那么为什么虚函数的成本会更高，如果它可以这样实现的话。或者解释一下，为什么决定不以这种方式实现虚函数执行？

谢谢，Gokul。

Answer 1

由于独立的编译模型，编译器无法做到这一点。

在编译虚函数调用时，编译器无法确定有多少不同的子类。

考虑下面的代码：

// base.h
class base
{
public:
    virtual void doit();
};

还有这个：

// usebase.cpp
#include "base.h"

void foo(base &b)
{
    b.doit();
}

当编译器在foo中生成虚拟调用时，它不知道基类的哪些子类将在运行时存在。

Answer 2

您的问题基于对交换机和虚拟函数工作方式的误解。我将给出几个要点，而不是用一篇关于代码生成的长篇论文来填满这个方框：

• Switch语句不一定比虚函数调用更快，也不一定是内联的。您可以了解有关将switch语句转换为汇编here和here的方法的更多信息。
• 虚函数调用速度慢的不是指针查找，而是间接分支。对于complicated reasons having to do with the internal electronics of the CPU，对于大多数现代处理器，执行“直接分支”比执行"indirect branch“更快，”直接分支“是在指令中编码目标地址的，而”直接分支“是在运行时计算地址的。虚函数调用和大的switch语句通常被实现为间接分支。
• 在上面的例子中，switch是完全冗余的。一旦计算出对象的成员函数指针，CPU就可以直接分支到该对象。即使链接器知道可执行文件中存在的每个可能的成员对象，仍然没有必要添加表查找。

Answer 3

以下是一些具体测试的结果。这些特定的结果来自VC++ 9.0/x64：

Test Description: Time to test a global using a 10-way if/else if statement
CPU Time:        7.70  nanoseconds           plus or minus      0.385

Test Description: Time to test a global using a 10-way switch statement
CPU Time:        2.00  nanoseconds           plus or minus     0.0999

Test Description: Time to test a global using a 10-way sparse switch statement
CPU Time:        3.41  nanoseconds           plus or minus      0.171

Test Description: Time to test a global using a 10-way virtual function class
CPU Time:        2.20  nanoseconds           plus or minus      0.110

在稀疏情况下，switch语句的速度要慢得多。在密集的情况下，switch语句可能会更快，但switch和虚拟函数分派会有一些重叠，因此，虽然switch可能更快，但差距很小，我们甚至不能确定它是否更快，更不用说足够快了。如果switch语句中的情况是稀疏的，那么虚函数调用将会更快这一点是毫无疑问的。