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            RTTI、虛函數(shù)和虛基類的實(shí)現(xiàn)方式、開銷分析及使用指導(dǎo)

            RTTI、虛函數(shù)和虛基類的實(shí)現(xiàn)方式、開銷分析及使用指導(dǎo)

            白楊

            http://baiy.cn

             

            “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。

            相對(duì)于傳統(tǒng)的 C 語(yǔ)言,C++ 引入的額外開銷體現(xiàn)在以下兩個(gè)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 STL 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)都增加了編譯器負(fù)擔(dān)。但是應(yīng)當(dāng)看到,這些新機(jī)能在不降低,甚至(由于模板的內(nèi)聯(lián)能力)提升了程序執(zhí)行效率的前提下,明顯減輕了廣大 C++ 程序員的工作量。

            用幾秒鐘的CPU時(shí)間換取幾人日的辛勤勞動(dòng),附帶節(jié)省了日后調(diào)試和維護(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) 廣泛依賴模板庫(kù)的大型軟件時(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)例化一套模板的程序體積顯著減小……

             

            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)于大多數(shù)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)行效率還可能進(jìn)一步提高。拋出和捕捉異常的效率也只是在某些情況下才會(huì)稍低于函數(shù)正常返回的效率,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)范正文中的相關(guān)部分和C++異常機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方式和開銷分析一節(jié)。

            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。這里要注意的一點(diǎn)是盡量不要讓構(gòu)造和析構(gòu)函數(shù)過(guò)于臃腫,特別是在一個(gè)類層次結(jié)構(gòu)中更要注意。時(shí)刻保持你的構(gòu)造、析構(gòu)函數(shù)中只有最必要的初始化和銷毀操作,把那些并不是每個(gè)(子)對(duì)象都需要執(zhí)行的操作留給其他方法和派生類去解決。

            其實(shí)對(duì)一個(gè)優(yōu)秀的編譯器而言,C++的各種特性本身就是使用C/匯編加以千錘百煉而最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的。可以說(shuō),想用C甚至匯編比編譯器更高效地實(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 被廣泛認(rèn)為比C“低效”,其根本原因在于:由于程序員對(duì)某些特性的實(shí)現(xiàn)方式及其產(chǎn)生的開銷不夠了解,致使他們?cè)阱e(cuò)誤的場(chǎng)合使用了錯(cuò)誤的特性。而這些錯(cuò)誤基本都集中在:

            • 把異常當(dāng)作另一種流控機(jī)制,而不是僅將其用于錯(cuò)誤處理中
            • 一個(gè)類和/或其基類的構(gòu)造、析構(gòu)函數(shù)過(guò)于臃腫,包含了很多非初始化/銷毀范疇的代碼
            • 濫用或不正確地使用RTTI、虛函數(shù)和虛基類機(jī)制

            其中前兩點(diǎn)上文已經(jīng)講過(guò),下面討論第三點(diǎn)。

            為了說(shuō)明RTTI、虛函數(shù)和虛基類的實(shí)現(xiàn)方式,這里首先給出一個(gè)經(jīng)典的菱形繼承實(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間接引用 每類型一個(gè)虛表,典型情況下小于128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 從虛繼承的子類中訪問(wèn)虛基類的數(shù)據(jù)成員或其虛函數(shù)時(shí),將增加兩次指針間接引用和一次整形加法(部分情況下可以優(yōu)化為一次指針間接引用)。 每類型一個(gè)虛基類表,典型情況下小于32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)

            在同時(shí)使用了虛函數(shù)的時(shí)候,虛基類表可以合并到虛表(virtual table)中,每對(duì)象的虛基類表指針(vbptr)也可以省略(只需vptr即可)。實(shí)際上, 很多實(shí)現(xiàn)都是這么做的。

             

             * 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“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CShape里定義名為 "rotate" 的虛函數(shù)。

            虛函數(shù)是C++眾多運(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)用成千上萬(wàn)次,而自身內(nèi)容又很簡(jiǎn)單的事件處理函數(shù))要慎用虛函數(shù)。

            需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是:虛函數(shù)的調(diào)用開銷與通過(guò)函數(shù)指針的間接函數(shù)調(diào)用(例如:經(jīng)典C程序中常見的,通過(guò)指向結(jié)構(gòu)中的一個(gè)函數(shù)指針成員調(diào)用;以及調(diào)用DLL/SO中的函數(shù)等常見情況)是相當(dāng)?shù)摹1绕鸷瘮?shù)調(diào)用本身的開銷(保存現(xiàn)場(chǎng)->傳遞參數(shù)->傳遞返回值->恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng))來(lái)說(shuō),一次指針間接引用是微不足道的。這就使得在絕大部分可以使用函數(shù)的場(chǎng)合中都能夠負(fù)擔(dān)得起虛方法的些微額外開銷。

            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)正確一致的一種必不可少的手段。但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)該盡量避免使用它。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)尺寸很小的類同時(shí)實(shí)例化許多對(duì)象的場(chǎng)合等等。

            posted on 2010-08-10 17:35 深邃者 閱讀(428) 評(píng)論(0)  編輯 收藏 引用


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