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[引用]RTTI、虛函數(shù)和虛基類的開銷分析及使用指導(dǎo)

RTTI、虛函數(shù)和虛基類的開銷分析及使用指導(dǎo)

白楊

 

“在正確的場(chǎng)合使用恰當(dāng)?shù)奶匦?#8221; 對(duì)稱職的C++程序員來(lái)說(shuō)是一個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn)。想要做到這點(diǎn),首先要了解語(yǔ)言中每個(gè)特性的實(shí)現(xiàn)方式及其開銷。本文主要討論相對(duì)于傳統(tǒng)C而言,對(duì)效率有影響的幾個(gè)C++新特性。

C++引入的額外開銷體現(xiàn)在以下兩方面:

編譯時(shí)開銷

模板、類層次結(jié)構(gòu)、強(qiáng)類型檢查等新特性,以及大量使用了這些新特性的C++模板、算法庫(kù)都明顯地增加了C++編譯器的負(fù)擔(dān)。但是應(yīng)當(dāng)看到,這些新機(jī)能在不增加程序執(zhí)行效率的前提下,明顯降低了廣大C++程序員的工作量。

用幾秒鐘的CPU時(shí)間換取程序員幾小時(shí)的辛勤勞動(dòng),附帶節(jié)省了日后debug和維護(hù)代碼的時(shí)間,這點(diǎn)開銷當(dāng)算超值。

當(dāng)然,在使用這些特性的時(shí)候,也有不少優(yōu)化技巧。比如:編譯一個(gè)大型軟件時(shí),幾條顯式實(shí)例化指令就可能使編譯速度提高幾十倍;恰當(dāng)?shù)亟M合使用部分專門化和完全專門化,不但可以最優(yōu)化程序的執(zhí)行效率,還可以讓同時(shí)使用多種不同參數(shù)實(shí)例化模板的軟件體積顯著減小……

 

運(yùn)行時(shí)開銷

運(yùn)行時(shí)開銷恐怕是程序員最關(guān)心的問(wèn)題之一了。相對(duì)與傳統(tǒng)C程序而言,C++中有可能引入額外運(yùn)行時(shí)開銷的新特性包括:
  1. 虛基類
  2. 虛函數(shù)
  3. RTTI(dynamic_cast和typeid)
  4. 異常
  5. 對(duì)象的構(gòu)造和析構(gòu)

關(guān)于其中第四點(diǎn) 異常,對(duì)于幾乎所有的現(xiàn)代編譯器來(lái)說(shuō),在正常情況(未拋出異常)下,try塊中的代碼執(zhí)行效率和普通代碼一樣高,而且由于不再需要使用傳統(tǒng)上通過(guò)返回值或函數(shù)調(diào)用來(lái)判斷錯(cuò)誤的方式,代碼的實(shí)際執(zhí)行效率還會(huì)進(jìn)一步提高。拋出和捕捉異常的效率也只是在某些情況下會(huì)高于函數(shù)返回和函數(shù)調(diào)用的效率,何況對(duì)于一個(gè)編寫良好的程序,拋出和捕捉異常的機(jī)會(huì)應(yīng)該不多。關(guān)于異常使用的詳細(xì)討論,參見:C++編碼規(guī)范正文。

而第五點(diǎn)對(duì)象的構(gòu)造和析構(gòu)開銷也不總是存在。對(duì)于不需要初始化/銷毀的類型,并沒(méi)有構(gòu)造和析構(gòu)的開銷,相反對(duì)于那些需要初始化/銷毀的類型來(lái)說(shuō),即使用傳統(tǒng)的C方式實(shí)現(xiàn),也至少需要與之相當(dāng)?shù)拈_銷。

對(duì)能夠真正用于開發(fā)的編譯器而言,C++本身就是使用C/匯編 加以千錘百煉的優(yōu)化才實(shí)現(xiàn)的。也就是說(shuō),想用C甚至匯編更高效地實(shí)現(xiàn)某個(gè)C++特性幾乎是不可能的。要是真能做到這一點(diǎn)的話,大俠就應(yīng)該去寫個(gè)編譯器造福廣大程序員才對(duì)~

C++之所以比C“低效”,其根本原因在于:由于對(duì)某些特性的實(shí)現(xiàn)方式及其開銷不夠了解,導(dǎo)致程序員在錯(cuò)誤的位置使用了錯(cuò)誤的特性。而這些錯(cuò)誤基本都集中在:

  • 把異常當(dāng)作另一種流程控制機(jī)制,而不是僅將其用于錯(cuò)誤處理中
  • 濫用或不正確地使用RTTI、虛函數(shù)和虛基類機(jī)制

其中第一點(diǎn)上文已經(jīng) 講過(guò),下面討論第二點(diǎn)。

為了說(shuō)明RTTI、虛函數(shù)和虛基類的實(shí)現(xiàn)方式,首先給出一個(gè)實(shí)例及其具體實(shí)現(xiàn)(為了便于理解,這里故意忽略了一些無(wú)關(guān)緊要的優(yōu)化):


圖中虛箭頭代表偏移,實(shí)箭頭代表指針

由上圖得到每種特性的運(yùn)行時(shí)開銷如下:
 
特性 時(shí)間開銷 空間開銷
RTTI 幾次整形比較和一次取址操作(可能還會(huì)有1、2次整形加法) 每類型一個(gè)type_info對(duì)象(包括類型ID和類名稱),典型情況下小于32字節(jié)

 

虛函數(shù) 一次整形加法和一次指針引用 每類型一個(gè)虛表,典型情況下小于32字節(jié)

每對(duì)象若干個(gè)(大部分情況下是一個(gè))虛表指針,典型情況下小于8字節(jié)

 

虛基類 從直接虛繼承的子類(例如上圖中的 "B1" 和 "B2",但不包括 "DD" )中訪問(wèn)虛基類的數(shù)據(jù)成員或其虛函數(shù)時(shí),將增加兩次指針引用(大部分情況下可以優(yōu)化為一次)和一次整形加法。 每類型一個(gè)虛基類表,典型情況下小于16字節(jié)

每對(duì)象若干虛基類表指針,典型情況下小于8字節(jié)

 

 

 * 其中“每類型”或“每對(duì)象”是指用到該特性的類型/對(duì)象。對(duì)于未用到這些功能的類型及其對(duì)象,則不會(huì)增加上述開銷

可見,關(guān)于老天爺“餓時(shí)掉餡餅、睡時(shí)掉老婆”等美好傳說(shuō)純屬謠言。但凡人工制品必不完美,總有設(shè)計(jì)上的取舍,有其適應(yīng)的場(chǎng)合也有其不適用的地方。

C++中的每個(gè)特性,都是從程序員平時(shí)的生產(chǎn)生活中逐漸精化而來(lái)的。在不正確的場(chǎng)合使用它們必然會(huì)引起邏輯、行為和性能上的問(wèn)題。對(duì)于上述特性,應(yīng)該只在必要、合理的前提下才使用。

"dynamic_cast" 用于在類層次結(jié)構(gòu)中漫游,對(duì)指針或引用進(jìn)行自由的向上、向下或交叉強(qiáng)制。"typeid" 則用于 獲取一個(gè)對(duì)象或引用的確切類型,與 "dynamic_cast" 不同,將 "typeid" 作用于指針通常是一個(gè)錯(cuò)誤, 要得到一個(gè)指針指向之對(duì)象的type_info,應(yīng)當(dāng)先將其解引用(例如:typeid(*p))。

一般地講,能用虛函數(shù)解決的問(wèn)題就不要用 "dynamic_cast",能夠用 "dynamic_cast" 解決的就不要用 "typeid"。比如:



void
rotate(
IN const CShape& iS)
{
   
if (typeid(iS) == typeid(CCircle))
    {
       
// ...
    }
   
else if (typeid(iS) == typeid(CTriangle))
    {
       
// ...
    }
   
else if (typeid(iS) == typeid(CSqucre))
    {
       
// ...
    }

   
// ...
}

以上代碼用 "dynamic_cast" 寫會(huì)稍好一點(diǎn),當(dāng)然最好的方式還是在其中每個(gè)類里定義名為 "rotate" 的虛函數(shù)。

虛函數(shù)是C++運(yùn)行時(shí)多態(tài)特性中開銷最小,也最常用的機(jī)制。虛函數(shù)的好處和作用這里不再多說(shuō),應(yīng)當(dāng)注意在對(duì)性能有苛刻要求的場(chǎng)合,或者需要頻繁調(diào)用,對(duì)性能影響較大的地方(比如每秒鐘 要調(diào)用上百次的事件處理函數(shù))要慎用虛函數(shù)。

作為一種支持多繼承的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言,虛基類有時(shí)是保證類層次結(jié)構(gòu)正確的一種必不可少的手段。在需要頻繁使用基類提供的服務(wù),又對(duì)性能要求較高的場(chǎng)合,應(yīng)該避免使用虛基類。

在基類中沒(méi)有數(shù)據(jù)成員的場(chǎng)合,也可以解除使用虛基類。例如,在上圖中,如果類 "BB" 中不存在數(shù)據(jù)成員,那么 "BB" 就可以作為一個(gè)普通基類分別被 "B1" 和 "B2" 繼承。這樣的優(yōu)化在達(dá)到相同效果的前提下,解除了虛基類引起的開銷。不過(guò)這種優(yōu)化也會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題:從 "DD" 向上強(qiáng)制到 "BB" 時(shí)會(huì)引起歧義;破壞了類層次結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系。

上述特性的空間開銷一般都是可以接受的,當(dāng)然也存在一些特例,比如:在存儲(chǔ)布局需要和傳統(tǒng)C結(jié)構(gòu)兼容的場(chǎng)合、在考慮對(duì)齊的場(chǎng)合、在需要為一個(gè)本來(lái)很小的類同時(shí)實(shí)例化許多對(duì)象的場(chǎng)合等等。

posted on 2008-03-27 17:48 Bugs 閱讀(1300) 評(píng)論(1)  編輯 收藏 引用

評(píng)論

# re: [引用]RTTI、虛函數(shù)和虛基類的開銷分析及使用指導(dǎo) 2008-03-27 19:10 Bugs

除了原文提到的幾點(diǎn),還是來(lái)總結(jié)幾點(diǎn)吧,
可能我個(gè)人比較偏好性能,c++的新特性建議不要隨意使用。

1.在設(shè)計(jì)和抽象過(guò)程中,把繼承的次數(shù)降到最小,避免每次構(gòu)造對(duì)象時(shí),
需要構(gòu)造很多層父類中的構(gòu)造函數(shù)。

2.盡量使用C風(fēng)格的類型轉(zhuǎn)換
float f = 3.14;
int i = (int)f;
這樣與使用static_cast作用一樣,性能沒(méi)有什么區(qū)別,
但dynamic_cast就不一樣了,效率上大大低于static_cast,
dynamic_cast可以自己使用ObjType來(lái)處理一個(gè)對(duì)象的正確的造型,
這樣做,只是麻煩了點(diǎn),但有了更多的靈活性,和性能。
CXxx *x = 0;
if( obj->GetType() == TYPE_XXX )
{
x = (CXxx*)obj;
}
其實(shí)只有在一般不明確類型的時(shí)候才會(huì)使用dynamic_cast進(jìn)行造型的,
但在實(shí)際編程中,這樣的情況很少。
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