避免虚函数的标准方法

Question

我有一个库,里面有很多小对象,现在都有虚函数.它达到了这样的程度,即指向虚函数表的指针的大小可能超过对象中有用数据的大小(它通常只是一个单独的结构float).对象是稀疏图上的数值模拟中的元素,因此不能轻易合并等.

我并不关心虚拟函数调用的成本,而是关心存储的成本.发生的事情是指向虚函数表的指针基本上降低了缓存的效率.我想知道我是否会更好地将类型id存储为整数,而不是虚函数.

我不能使用静态多态,因为我的所有对象都在一个列表中,我需要能够对由索引选择的项执行操作(这是一个运行时值 - 因此无法静态地确定类型).

问题是:是否有设计模式或通用算法,可以从接口动态调用函数,给定类型列表(例如在类型列表中)和类型索引？

接口是定义的并且没有太大变化,但是将来会由(可能技能较低的)库用户声明新对象,并且这样做不需要很大的努力.表现至关重要.可悲的是,没有C++ 11.

到目前为止,我可能有一个愚蠢的概念证明:

typedef MakeTypelist(ClassA, ClassB, ClassC) TList; // list of types

enum {
    num_types = 3 // number of items in TList
};

std::vector<CommonBase*> uniform_list; // pointers to the objects
std::vector<int> type_id_list; // contains type ids in range [0, num_types)

template <class Op, class L>
class Resolver { // helper class to make a list of functions
    typedef typename L::Head T;

    // specialized call to op.Op::operator ()<T>(p)
    static void Specialize(CommonBase *p, Op op)
    {
        op(*(T*)p);
    }

    // add a new item to the list of the functions
    static void BuildList(void (**function_list)(CommonBase*, Op))
    {
        *function_list = &Specialize;
        Resolver<Op, typename L::Tail>::BuildList(function_list + 1);
    }
};

template <class Op>
class Resolver<Op, TypelistEnd> { // specialization for the end of the list
    static void BuildList(void (**function_list)(CommonBase*, Op))
    {}
};

/**
 * @param[in] i is index of item
 * @param[in] op is a STL-style function object with template operator ()
 */
template <class Op>
void Resolve(size_t i, Op op)
{
    void (*function_list[num_types])(CommonBase*, Op);
    Resolver<Op, TList>::BuildList(function_list);
    // fill the list of functions using the typelist

    (*function_list[type_id_list[i]])(uniform_list[i], op);
    // call the function
}

我还没有查看过程序集,但我相信如果设置为静态,则可以免费实现函数指针数组的创建.另一种方法是使用在类型列表上生成的二叉搜索树,这将启用内联.

Answer 1

我最终使用了我在问题中概述的“厚桌”概念。对于每个操作，只有一个thunk表实例（它是静态的，并且通过模板共享），因此，编译器将自动确保每种操作类型（而不是每次调用）只有一个表实例。因此，我的对象没有任何虚函数。

最重要的是-使用简单函数指针而不是虚拟函数所获得的速度增益可以忽略不计（但也不算慢）。实现决策树和静态链接所有功能的速度大大提高，这使某些计算量不大的代码的运行时间缩短了约40％。

一个有趣的副作用是能够具有“虚拟”模板功能，这通常是不可能的。

我需要解决的一个问题是，我所有的对象都需要具有某种接口，因为它们最终将被除函子之外的某些调用所访问。我为此设计了一个独立的门面。外观是一个虚拟类，声明了对象的接口。分离的外观是此虚拟类的实例，专门针对给定的类（对于列表中的所有列表，operator []返回所选项目类型的分离的外观）。

class CDetachedFacade_Base {
public:
    virtual void DoStuff(BaseType *pthis) = 0;
};

template <class ObjectType>
class CDetachedFacade : public CDetachedFacade_Base {
public:
    virtual void DoStuff(BaseType *pthis)
    {
        static_cast<ObjectType>(pthis)->DoStuff();
        // statically linked, CObjectType is a final type
    }
};

class CMakeFacade {
    BaseType *pthis;
    CDetachedFacade_Base *pfacade;

public:
    CMakeFacade(BaseType *p, CDetachedFacade_Base *f)
        :pthis(p), pfacade(f)
    {}

    inline void DoStuff()
    {
        f->DoStuff(pthis);
    }
};

要使用此功能，需要执行以下操作：

static CDetachedFacade<CMyObject> facade;
// this is generated and stored in a templated table
// this needs to be separate to avoid having to call operator new all the time

CMyObject myobj;
myobj.DoStuff(); // statically linked

BaseType *obj = &myobj;
//obj->DoStuff(); // can't do, BaseType does not have virtual functions

CMakeFacade obj_facade(obj, &facade); // choose facade based on type id
obj_facade.DoStuff(); // calls CMyObject::DoStuff()

这使我可以在代码的高性能部分中使用优化的thunk表，并且仍然具有多态行为对象，以便能够在不需要性能的地方方便地处理它们。