为什么使用概念会使C++编译变慢？

Question

为什么使用概念会使C++编译变慢？

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它想要进行什么样的邪恶魔法！？！

我在听与Herb Sutter进行的问答环节时，有一个问题是关于概念的。Herb提到它会使编译器变慢（即使源代码没有改变），而且这个部分比模板的部分显着更大。

为什么会这样？我在哪里可以找到关于概念的文档？

- user34537

3个回答

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由于这个问题相当陈旧（来自2011年），而且在撰写本文时（2020年）已经发布了概念，因此我想澄清一些事情，以免误导人们或阻止他们使用概念。

过去被认为的概念和现在发布的概念是完全不同的。C++20中发布的概念也被称为“概念lite”，因为它们包含比概念最初设计时减少的功能。那么一开始的概念失去了什么呢？

主要区别在于，概念的首要设计目的旨在检查模板的使用正确性和定义正确性。例如，假设您有一个具有类型Animal的模板，需要具有成员函数make_sound。您可以像下面这样想象一个受约束的函数模板：

template <typename Animal>
requires requires(Animal& x){
  x.make_sound();
}
int animal_tricks(Animal& x) {
  x.make_sound();
  x.do_trick();
}

现在，在最初的概念设计中，定义函数模板animal_tricks是不正确的，因为我们使用了一个do_trick成员函数，它不是所需表达式的一部分。然而，通过C++20概念lite，这种概念定义是合法的。在概念lite世界中，编译器不会检查animal_tricks函数模板的正确性，开发人员需要正确地指定类型的要求。

这种差异可能会对编译时间产生相当大的影响。2016年，有两篇论文考虑了概念进入C++17与否的原因：“为什么我想要概念，为什么我希望它们早日实现”和“为什么我想要概念，但为什么它们应该比较晚实现”。它们都没有考虑性能问题，这说明当时性能并不是一个问题。

另外，当前的概念设计可能具有一些性能优势。根据Chiel的规则，编译中最慢的是SFINAE，因为它至少需要尝试实例化（通常）大量的类型，然后才能在稍后放弃它们。概念（取决于它们如何实现）可能不需要实例化任何模板，这实际上可能会成为性能优势。

- Uval

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你可能会在ConceptsGCC网站上找到有用的资源。这是他们正在构建的编译器（从GCC分支出来），以查看该概念是否可行。

我想开销来自于必须对各种语言结构执行彻底、普遍和递归的有效性检查，而且考虑到你可以指定相当丰富的约束条件，检查这些条件可能会变得非常昂贵。

有点像异常规范的噩梦版本！

- Kerrek SB

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可以查看英文原文，
原文链接

- Nicol Bolas · Accepted Answer

注意：以下答案（以及它回答的问题）涉及旧版C++0x的概念，与添加到C++20中的该功能版本没有多少关系。

首先，Herb并没有说概念本身会使编译变慢。他说将概念应用于C++标准库会使使用C++标准库的任何代码编译变慢。

这是由于以下几个原因：

1：限定模板需要编译时间。

当您像这样声明一个类：

template<typename T> class Foo {...};

编译器只是简单地解析Foo，做的事情非常少。即使进行两阶段查找，编译器在编译类Foo时也只是做了很少的工作。当然，它会将其存储以备后用，但初始遍历相对较快。

当您使用概念约束模板时：

template<ConceptName C> class Foo {...};

编译器必须执行某些操作。它必须事先检查类型C的每个使用是否符合概念ConceptName。这是编译器本可以推迟到实例化时处理的额外工作。你拥有越多的概念检查，你就需要花费更多的编译时间来验证类型是否与概念匹配。 2：标准C++库使用了很多概念。看一下迭代器概念的数量：输入、输出、前向、双向、顺序、连续。委员会正在考虑将它们分解成更多的部分。许多算法将具有多个版本，适用于不同的迭代器概念。这还不包括范围概念（除输出迭代器概念外，每种迭代器概念都有一个），std::string的字符概念以及各种其他类型的概念。所有这些都必须被编译和检查。

使其快速的真正需要的概念是模块。编译器能够生成一个包含预先检查过的符号序列的模块文件，然后直接加载该文件，而无需经过标准编译过程。直接从解析到符号创建。请记住：对于每个要#include的.cpp文件，编译器必须读取该文件并对其进行编译。即使文件每次这样做都是相同的东西，它仍必须认真读取文件并处理它。如果我们谈论概念化的std::vector，它必须执行模板的所有概念检查。它仍然必须执行您在编译时执行的所有标准符号查找等操作。想象一下，如果编译器不必这样做。想象一下，它可以直接从磁盘加载一堆符号和定义。完全没有编译；只是将符号和定义带入供其他代码使用。这就像预编译头文件，只不过更好。预编译头文件仅限于每个.cpp文件一个，而您可以使用任意数量的模块。可悲的是，模块在C++0x的过程中很早就被取消了。没有模块，用概念约束标准库将始终比未约束版本编译得更慢。请注意，Herb误解了模块的目的（这并不难理解，因为最初的特性概念正是他所谈论的事情：跨平台的DLL等）。它们的核心根本目的是帮助编译时间，而不是使跨平台DLL起作用。模块本身也不打算跨平台。