在C++中使用接口会导致性能下降吗？

Question

在C++中使用接口会导致性能下降吗？

c++performanceabstract-classvirtual-functions

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在C++中使用接口（抽象基类）是否会导致运行时性能降低？

- andreas buykx

这个问题的答案也与这个相关。 - Richard Corden

16个回答

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使用虚函数调用的函数无法内联

有一种很容易被忽视的虚函数惩罚是：虚函数调用在对象类型不知道编译时（常见情况下）时不会被内联。如果您的函数很小并且适合内联，这种惩罚可能非常显著，因为不仅会增加调用开销，而且编译器在优化调用函数方面也受到限制（它必须假设虚函数可能已更改某些寄存器或内存位置，它不能在调用者和被调用者之间传播常量值）。

虚函数调用成本因平台而异

就与普通函数调用相比的调用开销而言，答案取决于目标平台。如果您的目标是带有x86 / x64 CPU的PC，则调用虚函数的惩罚非常小，因为现代x86 / x64 CPU可以对间接调用进行分支预测。但是，如果您的目标是PowerPC或一些其他RISC平台，则虚函数调用惩罚可能相当大，因为在某些平台上从不预测间接调用（参见PC/Xbox 360跨平台开发最佳实践）。

- Suma

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错误的说虚拟调用不会被内联。只要编译器可以在编译时确定对象的最终类型，那么该对象上的方法调用就有可能被内联。只有通过基类指针调用时才无法进行内联。 - j_random_hacker

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@j_random_hacker 这只是通常情况下您将其用作基类指针的情况。 - Ghita

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@Ghita：即使如此，优化编译器可能能够推断出对象的动态类型。我猜大多数编译器可以将对foo()的调用内联到Base* x = new Derived; x->foo();中。 - j_random_hacker

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可以。但在正常情况下，通常将指向基类的指针传递给周围。有趣的是最简单的情况由编译器处理。 - Ghita

1

即使指向基类的指针被用于模块化和可测试性，并且只有一个子类，当进行完整系统分析并且接口仅用于上述目的时，LTO编译可以内联该指针。不幸的是，我不确定当前是否有任何编译器能够实现该功能。 - Lothar

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与常规调用相比，每个虚函数调用会有一个小的惩罚。除非每秒进行数十万次调用，否则您不太可能观察到差异，通常为了增加代码清晰度而支付的代价通常是值得的。

- moonshadow

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当您调用虚函数（例如通过接口）时，程序必须在表格中查找该对象的要调用的函数。相比直接调用函数，这会带来一些小的惩罚。

此外，当您使用虚函数时，编译器无法内联函数调用。因此，对于某些小型函数，使用虚函数可能会带来一定的惩罚。这通常是您可能遇到的最大性能“损失”。只有在函数很小且被多次调用（例如在循环内部）时，才会真正出现这个问题。

- David Dibben

不要让它破坏你的设计，但只有在真正需要时才使用虚函数 - 当你考虑迭代一大堆元素并在每个元素上调用该方法时，内联可以带来巨大的性能提升。 - xtofl

1

错误的说虚函数调用不能被内联。只要编译器能够在编译时确定对象的最终类型，该对象上的方法调用就有可能被内联。只有通过指向基类的指针进行调用时才无法执行内联。 - j_random_hacker

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在某些情况下适用的另一种选择是使用模板进行编译时多态性。例如，当您想要在程序开始时进行实现选择，然后在执行期间使用它时，这将非常有用。以下是一个使用运行时多态性的示例：

class AbstractAlgo
{
    virtual int func();
};

class Algo1 : public AbstractAlgo
{
    virtual int func();
};

class Algo2 : public AbstractAlgo
{
    virtual int func();
};

void compute(AbstractAlgo* algo)
{
      // Use algo many times, paying virtual function cost each time

}   

int main()
{
    int which;
     AbstractAlgo* algo;

    // read which from config file
    if (which == 1)
       algo = new Algo1();
    else
       algo = new Algo2();
    compute(algo);
}

使用编译时多态性的相同操作。

class Algo1
{
    int func();
};

class Algo2
{
    int func();
};


template<class ALGO>  void compute()
{
    ALGO algo;
      // Use algo many times.  No virtual function cost, and func() may be inlined.
}   

int main()
{
    int which;
    // read which from config file
    if (which == 1)
       compute<Algo1>();
    else
       compute<Algo2>();
}

- KeithB

不幸的是，这并不适用于插件类和其他动态加载的类型（是的，在C++中这是可能的 :-)）。 - André Caron

这会大大增加代码膨胀，我仍在等待任何研究来检查模板代码膨胀对性能的影响（缓存问题、分支预测等）。 - Lothar

3

我认为成本比较不是在虚函数调用和直接函数调用之间。如果您考虑使用抽象基类（接口），那么您需要根据对象的动态类型执行多个操作中的一个。您必须以某种方式做出选择。一种选择是使用虚函数。另一种是通过对象类型的开关，通过RTTI（可能很昂贵）或将type()方法添加到基类（可能增加每个对象的内存使用）来实现。因此，应该将虚函数调用的成本与替代方案的成本进行比较，而不是与什么都不做的成本进行比较。

- KeithB

3

大多数人都会注意到运行时间的惩罚，这是正确的。

然而，在我从事大型项目开发的经验中，清晰接口和适当封装带来的好处很快抵消了速度上的优势。模块化的代码可以被替换为改进后的实现，因此净效果是巨大的收益。

个人结果可能有所不同，并且显然取决于您正在开发的应用程序。

- rlerallut

我想提出一个相反的观点：对于嵌入式系统（其他人已经提到了视频游戏主机），性能损失可能会太大，除非从可维护性/可读性/清晰度等方面获得了很多好处，否则应该避免使用。 - It'sPete

3

请注意，多重继承会使对象实例膨胀为多个虚表指针。在x86上使用G ++，如果你的类有一个虚方法且没有基类，则有一个指向虚表的指针。如果你有一个带有虚方法的基类，则仍然有一个指向虚表的指针。如果你有两个带有虚方法的基类，则每个实例上有两个虚表指针。

因此，在多重继承（这就是C ++中实现接口的方式）中，你需要支付基类乘以指针大小的对象实例大小。内存占用的增加可能会间接影响性能。

- hsivonen

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需要注意的是，虚函数调用的成本可能因平台而异。在游戏机上，它们可能更加明显，因为通常 vtable 调用意味着缓存未命中，会影响分支预测。

- yrp

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我经常听到这种说法，但从未得到过验证。全球性能应用程序的成本效益，在控制台或其他地方，实际上取决于您调用方法的频率。我的大多数游戏行业朋友根本不允许使用虚函数，即使是针对您的论点。他们最终会遇到混乱的代码，以规避此限制，即使是每个渲染周期调用一次的高级函数也是如此。 - André Caron

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在C++中使用抽象基类通常需要使用虚函数表，所有接口调用都将通过该表进行查找。与原始函数调用相比，成本微不足道，因此请确保您需要更快的速度之前再担心它。

- Simon

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可以查看英文原文，
原文链接

- Martin York · Accepted Answer

简短回答：不会。

长回答：一个类的基类或祖先数并不会影响它的速度，唯一影响速度的是方法调用的成本。

非虚方法调用有成本（但可以内联）
虚方法调用的成本稍高，因为你需要在调用之前查找要调用的方法（但这只是一个简单的表查找，而不是搜索）。由于接口上的所有方法都是虚的，因此会有这种成本。

除非您正在编写某些超级敏感的应用程序，否则这不应该是问题。使用接口所带来的额外清晰度通常可以弥补任何感知到的速度降低。