C++中虚函数(virtual function)到底有多慢

2017-03-02 10:12:03来源:http://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/7461919作者:hengyunabc人点击

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虚函数为什么慢,cpu分支预测技术,虚函数到底要调用哪些汇编,虚函数实现的简单图示,虚函数不能内联,


印象中经常看到有人批评C++的虚函数很慢,但是虚函数为什么慢,虚函数到底有多慢呢?


一、理论分析


虚函数慢的原因主要有三个:

多了几条汇编指令(运行时得到对应类的函数的地址)影响cpu流水线编译器不能内联优化(仅在用父类引用或者指针调用时,不能内联)

先简单说下虚函数的实现,以下面测试代码中的VirtualVector类为例,VirtualVector类的内存布局如下:




当在用父类的引用或者指针调用虚函数时,会先从该对象的头部取到虚函数的地址(C++标准规定虚函数表地址必须放最前),再从虚函数表中取到实际要调用的函数的地址,最终调用该函数,汇编代码大概如下:


			sum += v.at(i);       //要调用at函数
00CF1305 mov eax,dword ptr [ebx] //取到对象的虚函数表地址
00CF1307 mov edx,dword ptr [eax+4] //取到实际VirtualVector类的at函数地址,因为at是第二个虚函数,所以要+4,如果是clear则+8,push_back则不加
00CF130A push esi //参数压栈
00CF130B mov ecx,ebx 00CF130D call edx //调用真正的VirtualVector类的at函数

所以,我们可以看到调用虚函数,相比普通函数,实际上多了三条汇编指令(取虚表,取函数地址,call调用)。


至于虚函数如何影响cpu的流水线,则主要是因为call指令,具体可以看这个网址的演示:


CPU流水线的一个演示:http://www.pictutorials.com/Instruction_Pipeline.html


第3点,编译器不能内联优化,则是因为在得到子类的引用或者指针之前,根本不知道要调用哪一个函数,所以无从内联。


但是,要注意的是,对于子类直接调用虚函数,是可以内联优化的。如以下的代码,编译器是完全可以内联展开的。


	VirtualVector v(100);
v.push_back(1);
v.at(0);

二、实际测试

光说不练显然不行,下面用代码来测试下虚函数到底有多慢。


下面的代码只是测试用,不考虑细节。


Vector类包装了一个数组,提供push_back,at,clear函数。


VirtualVector类继承了IVector,同样实现了push_back,at,clear函数,但是都是虚函数。

#include 
#include
#include
using namespace std;
const int size = 100000000;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
int main()
{
cout< VirtualVector *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"< testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"< testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"< testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"< testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}

上面的是只有一层继承的情况时的结果,尽管从虚函数的实现角度来看,多层继承和一层继承调用虚函数的效率都是一样的。


但是为了测试结果更加可信,下面是一个6层继承的测试代码(为了防止编译器的优化,有很多垃圾代码):


#include 
#include
#include
using namespace std;
const int size = 100000000;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector1 : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector1(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[1] = val;
}
int at(int i)
{
return array[1];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector1()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
class VirtualVector2 : public VirtualVector1{
public:
VirtualVector2(int size):VirtualVector1(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[2] = val;
}
int at(int i)
{
return array[2];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector3 : public VirtualVector2{
public:
VirtualVector3(int size):VirtualVector2(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[3] = val;
}
int at(int i)
{
return array[3];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector4 : public VirtualVector3{
public:
VirtualVector4(int size):VirtualVector3(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[4] = val;
}
int at(int i)
{
return array[4];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector5 : public VirtualVector4{
public:
VirtualVector5(int size):VirtualVector4(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[5] = val;
}
int at(int i)
{
return array[5];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector6 : public VirtualVector5{
public:
VirtualVector6(int size):VirtualVector5(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[6] = val;
}
int at(int i)
{
return array[6];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector : public VirtualVector6{
public:
VirtualVector(int size):VirtualVector6(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
int main()
{
cout< {
auto v = VirtualVector1(size);
v.push_back(0);
cout< }
{
auto v = VirtualVector2(size);
v.push_back(0);
cout< }
{
auto v = VirtualVector3(size);
v.push_back(0);
cout< }
{
auto v = VirtualVector4(size);
v.push_back(0);
cout< }
{
auto v = VirtualVector5(size);
v.push_back(0);
cout< }
{
auto v = VirtualVector6(size);
v.push_back(0);
cout< }
auto *v = new Vector(size);
auto *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"< testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"< testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"< testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"< testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}

测试结果:


测试结果都取最小时间


1层继承的测试结果:

























push_backat
Vector0.263s0.04s
VirtualVector0.331s0.222s
倍数1.255.55


6层继承的测试结果:


























push_backat
Vector0.262s0.041s
VirtualVector0.334s0.223s
倍数1.275.43


一、可以看出继承层数和虚函数调用效率无关


二、可以看出虚函数慢得有点令人发指了,对于at操作,虚函数花的时间竟然是普通函数的5.5倍!


但是,再看看,我们可以发现对于push_back操作,虚函数花的时间是普通函数的1.25倍。why?


再分析下代码,我们可以发现at操作的逻辑,明显要比push_back的逻辑要简单。


虚函数额外消耗时间为 vt,函数本身所消耗时间为 ft,则有以下


倍数 = (vt + ft)/ft = 1 + vt/ft


显然当ft越大,即函数本身消耗时间越长,则倍数越小。


那么让我们在at操作中加了额外代码,统计下1到100之和:


	int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}

测试代码:


#include 
#include
#include
using namespace std;
const int size = 100000000;
int sssForTest = 0;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout< }
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时:"<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<}
int main()
{
cout< VirtualVector *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"< testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"< testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"< testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"< testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}

at操作中增加求和后的统计结果:


























push_backat 增加求和代码
Vector0.265s6.893s
VirtualVector0.328s7.125s
倍数1.231.03


只是简单增加了一个求和代码,我们可以看到,倍数变成了1.03,也就是说虚函数的消耗基本可以忽略了。


所以说,虚函数的效率到底低不低和实际要调用的函数的耗时有关,当函数本身的的耗时越长,则虚函数的影响则越小。


再从另一个角度来看,一个虚函数调用到底额外消耗了多长时间?


从统计数据来看100,000,000次函数调用,虚函数总共额外消耗了0.05~0.23秒(VirtualVector对应时间减去Vector时间),


也就是说,1亿次调用,虚函数额外花的时间是0.x到2.3秒。


也就是说,如果你有个函数,要被调用1亿次,而这1亿次调用所花的时间是几秒,十几秒,且你不能容忍它慢一二秒,那么就干掉虚函数吧^_^。


三、总结:

虚函数调用效率和继承层数无关;其实虚函数还是挺快的。如果真的要完全移除虚函数,那么如果要实现运行时多态,则要用到函数指针,据上面的分析,函数指针基本具有虚函数的所有缼点(要传递函数指针,同样无法内联,同样影响流水线),且函数指针会使代码混乱。

BTW:测试cpu是i5。


TODO:测试指针函数,boost::bind的效率

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