获取器和设置器。是否存在性能开销？

Question

我的 C++ 项目中有一个粒子系统引擎，这些粒子本身只是一些变量结构，没有函数。目前，每个粒子 (Particle) 都是通过直接访问其变量从其父类 (ParticleSystem) 更新的。例如：

particle.x += particle.vx;

然而，我正在考虑像这样使用getter和setter：

particle.setX(particle.getX()+particle.getVX());

我的问题是：与直接访问数据相比，调用getter和setter是否会有性能开销？

毕竟，我需要更新很多粒子...

- sgtHale

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设置器/获取器主要用于代码的可读性和可维护性。调用函数会比直接访问数据有性能开销。 - Mohammed H

Getter和Setter仅用于封装数据及对其访问的控制，不会带来性能开销。编译器可以将简单的Getter和Setter内联处理。 - Martin Kristiansen

我可以想象不出他们如何提高可读性，但他们确实使以后更容易改变实现方式。 - Ed S.

@MartinKristiansen：是的，你会希望如此，而且大多数时候你是正确的，但并非总是如此。最好检查一下是否在性能关键的紧密循环中调用函数。 - Ed S.

@所有人。显然，性能开销不会很大。但是在比较调用函数和直接访问数据时，我们可以看出即使开销不显著，直接访问数据也会更快。 - Mohammed H

Answer 1

当没有被优化掉时，设置器和获取器会带来一定的性能开销。 在进行链接时优化的编译器上，它们几乎总是会被优化掉。而对于不进行链接时优化的编译器，如果它们知道函数体（而不仅仅是原型），它将被优化掉。只需查找内联优化就可以了。

但是，您使用获取器和设置器的原因是，可能希望获取或设置该变量具有其他附加副作用。例如，在物理模拟中，更改对象的位置也会更改附近对象的位置等。

最后，在经过优化的代码环境中，获取器和设置器操作的开销非常小，除非代码很热门，否则不值得担心。如果代码很热门，只需将获取器或设置器移到头文件并进行内联即可。
但是，在长时间运行的科学模拟中，它可能会累积 - 但这需要数以百万计的调用次数。

因此，归纳起来，获取器和设置器的开销微不足道，而且非常值得，因为它允许您非常具体地指定对象的功能，并允许您进行任何更改的调度。

- OmnipotentEntity

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+1 表示内联（虽然其他部分也是正确的）。内联后忘记它。 - MPelletier

请注意，将函数内联是a）仅仅是一个建议，并且b）只有在源文件中包含所有信息时才有效，因此必须在头文件中进行。 - OmnipotentEntity

关于“微小”和“无足轻重”的评论：函数调用会消耗循环周期，在科学计算中（大量的get/set操作在长时间运行的循环中发生），如果没有进行优化，它们可能会花费您相当多的时间（wall time）。尽管如此，将getter/setter内联通常是为了未来代码灵活性的好主意。 - Tony K.

@TonyK。我同意这可能是必要的，但往往并不是。不过你说得很好，它确实会累加。在代码中始终使用分析来确定热点，并根据需要进行优化。 - OmnipotentEntity

近期的编译器可以在链接时进行内联，这意味着函数可以被内联，即使它的定义在实现文件中而不是头文件中。编辑：哦等等，我刚看到你是答案的作者！既然您在答案中提到链接时优化，我不理解您关于内联仅在定义在标头中时才可能的评论。 - Luc Touraille

Answer 2

我对此持有不同的观点，与之前的回答不同。

Getter和Setter表明你的类设计方式不够实用：如果你没有将外部行为与内部实现抽象化，那么使用抽象接口就没有意义，你可以使用普通的结构体。

考虑一下你真正需要的操作。几乎肯定不是直接访问位置和动量的x、y和z坐标，而是要将它们视为向量量（至少在大多数计算中，这是优化所需的）。因此，你需要实现基于向量的接口*，其中基本操作是向量加法、缩放和内积。不是分量访问；你可能有时也需要这样做，但这可以通过一个单一的std::array<double,3> to_posarray()成员或类似的方法来完成。

当内部组件 x，y ... vz 无法从外部访问时，您可以安全地更改内部实现而不破坏模块外部的任何代码。这就是 getter/setter 的全部意义；但是，在使用它们时，您只能进行有限的优化：任何实际的实现更改都将使 getter 变得更慢。
另一方面，您可以通过 SIMD 操作、外部库调用（可能在加速硬件上，如 CUDA）等方式对基于向量的接口进行优化。像 to_posarray 这样的“批量获取器”仍然可以实现合理高效，但单变量 setter 则不能。

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*这里的向量是指数学意义上的向量，而不是像std::vector那样。

- leftaroundabout

Answer 3

获取器和设置器允许您的代码在将来更轻松地发展，如果获取和设置任务变得稍微复杂。大多数C++编译器足够聪明，可以inline这些简单方法并消除函数调用的开销。

- Reuben Morais

Answer 4

这个问题可能有不同的答案，但我在这里分享我的想法。

对于性能来说，对于简单的POD类型，成本大多可以忽略不计。但是仍然存在成本，并且取决于你返回的类型。对于粒子而言，数据量不会太大。如果这是一个图像类（如OpenCV cv::Mat）或3D数据（如VTK中的PolyData），最好使用指针/迭代器处理setter/getter，而不是实际数据，以避免内存分配问题。

当您想要模板化事物时，setter/getter可以非常有用，以避免隐式类型转换。 setter/getter可以是访问私有/受保护成员的一种方式，这也允许您避免将x作为变量的通用名称。此外，setter/getter可以返回L值引用，使您可以执行 particle.getX() = 10.0;。

- tomriddle_1234

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particle.getX() = 10.0; - 但是在什么时候/何处需要这个？ - SChepurin

当你不仅想打破封装性，而是要“可怕地”打破它时，该怎么办？ - user

@Michael Kjörling，我认为这样更自然，您为什么说它会破坏封装性？ - tomriddle_1234

如果直接暴露成员变量违反了封装（这是常见且合理的争论），那么如何通过具有返回对该变量引用的函数来避免破坏封装呢？而且在这种情况下，我们甚至没有谈论一个潜在复杂的类，而是一个原始值类型（这里写着保留我不知道C++术语的确切术语）。我绝对不希望 getX() 返回对内部成员变量的引用，这肯定不会减少混淆。 - user

但这是C++...，数百万粒子。如果这个类存在安全问题，我同意你的看法。 - tomriddle_1234

Answer 5

在这种情况下，您的计算功能意义可能是：

void Particle::updatePosition() { x += vx; y += vy; }

或者：

void Particle::updatePositionX() { x += vx; }

然后：

particle.updatePositionX();

- R4N4R4M4

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