什么是以非多态方式调用虚函数的成本？

Question

我有一个纯粹的抽象基础和两个派生类:

struct B { virtual void foo() = 0; };
struct D1 : B { void foo() override { cout << "D1::foo()" << endl; } };
struct D2 : B { void foo() override { cout << "D1::foo()" << endl; } };

foo在A点呼叫的成本是否与对非虚拟成员功能的呼叫相同？或者它是否比D1和D2不是从B派生的更昂贵？

int main() {
 D1 d1; D2 d2; 
 std::vector<B*> v = { &d1, &d2 };

 d1.foo(); d2.foo(); // Point A (polymorphism not necessary)
 for(auto&& i : v) i->foo(); // Polymorphism necessary.

 return 0;
}

答案:Andy Prowl的答案是正确答案,我只想添加gcc的汇编输出(在godbolt中测试:gcc-4.7 -O2 -march = native -std = c ++ 11).直接函数调用的成本是:

mov rdi, rsp
call    D1::foo()
mov rdi, rbp
call    D2::foo()

对于多态调用:

mov rdi, QWORD PTR [rbx]
mov rax, QWORD PTR [rdi]
call    [QWORD PTR [rax]]
mov rdi, QWORD PTR [rbx+8]
mov rax, QWORD PTR [rdi]
call    [QWORD PTR [rax]]

但是,如果对象不是从派生的B,你只是执行直接调用,gcc将内联函数调用:

mov esi, OFFSET FLAT:.LC0
mov edi, OFFSET FLAT:std::cout
call    std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >& std::operator<< <std::char_traits<char> >(std::basic_ostream<char, std::char_traits<char> >&, char const*)

这可能使进一步的优化,如果D1并D2没有从派生B,所以我想这不,他们是不等价的(至少在这个版本的GCC与这些优化,-O3生产无内联类似的输出).有没有什么东西阻止编译器内联D1并D2从中派生出来B？

"修复":使用委托(又称自己重新实现虚拟功能):

struct DG { // Delegate
 std::function<void(void)> foo;
 template<class C> DG(C&& c) { foo = [&](void){c.foo();}; }
};

然后创建一个委托向量:

std::vector<DG> v = { d1, d2 };

如果以非多态方式访问方法,则允许内联.但是,我想访问该向量将比std::function使用虚函数更慢(或至少同样快,因为使用虚函数进行类型擦除)(不能使用godbolt进行测试).

Answer 1

在A点调用foo与调用非虚拟成员函数的成本是否相同？

是.

或者它是否比D1和D2不是从B派生的更昂贵？

没有.

编译器将静态解析这些函数调用,因为它们不是通过指针或通过引用执行的.由于调用函数的对象类型在编译时是已知的,因此编译器知道foo()必须调用哪个实现.

Answer 2

最简单的解决方案是查看编译器的内部结构。canDevirtualizeMemberFunctionCall在 Clang 中，我们在lib/CodeGen/CGClass.cpp中找到：

/// canDevirtualizeMemberFunctionCall - Checks whether the given virtual member
/// function call on the given expr can be devirtualized.
static bool canDevirtualizeMemberFunctionCall(const Expr *Base, 
                                              const CXXMethodDecl *MD) {
  // If the most derived class is marked final, we know that no subclass can
  // override this member function and so we can devirtualize it. For example:
  //
  // struct A { virtual void f(); }
  // struct B final : A { };
  //
  // void f(B *b) {
  //   b->f();
  // }
  //
  const CXXRecordDecl *MostDerivedClassDecl = getMostDerivedClassDecl(Base);
  if (MostDerivedClassDecl->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  // If the member function is marked 'final', we know that it can't be
  // overridden and can therefore devirtualize it.
  if (MD->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  // Similarly, if the class itself is marked 'final' it can't be overridden
  // and we can therefore devirtualize the member function call.
  if (MD->getParent()->hasAttr<FinalAttr>())
    return true;

  Base = skipNoOpCastsAndParens(Base);
  if (const DeclRefExpr *DRE = dyn_cast<DeclRefExpr>(Base)) {
    if (const VarDecl *VD = dyn_cast<VarDecl>(DRE->getDecl())) {
      // This is a record decl. We know the type and can devirtualize it.
      return VD->getType()->isRecordType();
    }

    return false;
  }

  // We can always devirtualize calls on temporary object expressions.
  if (isa<CXXConstructExpr>(Base))
    return true;

  // And calls on bound temporaries.
  if (isa<CXXBindTemporaryExpr>(Base))
    return true;

  // Check if this is a call expr that returns a record type.
  if (const CallExpr *CE = dyn_cast<CallExpr>(Base))
    return CE->getCallReturnType()->isRecordType();

  // We can't devirtualize the call.
  return false;
}

我相信代码（以及附带的注释）是不言自明的:)