本文地址：http://blog.csdn.net/hengyunabc/article/details/7461919
虚函数为什么慢，cpu分支预测技术，虚函数到底要调用哪些汇编，虚函数实现的简单图示，虚函数不能内联，
印象中经常看到有人批评C++的虚函数很慢，但是虚函数为什么慢，虚函数到底有多慢呢？
一、理论分析
虚函数慢的原因主要有三个：
- 多了几条汇编指令（运行时得到对应类的函数的地址）
- 影响cpu流水线
- 编译器不能内联优化（仅在用父类引用或者指针调用时，不能内联）
先简单说下虚函数的实现，以下面测试代码中的VirtualVector类为例，VirtualVector类的内存布局如下：
当在用父类的引用或者指针调用虚函数时，会先从该对象的头部取到虚函数的地址（C++标准规定虚函数表地址必须放最前），再从虚函数表中取到实际要调用的函数的地址，最终调用该函数，汇编代码大概如下：
sum += v.at(i); //要调用at函数
00CF1305 mov eax,dword ptr [ebx] //取到对象的虚函数表地址
00CF1307 mov edx,dword ptr [eax+4] //取到实际VirtualVector类的at函数地址，因为at是第二个虚函数，所以要+4，如果是clear则+8，push_back则不加
00CF130A push esi //参数压栈
00CF130B mov ecx,ebx
00CF130D call edx //调用真正的VirtualVector类的at函数所以，我们可以看到调用虚函数，相比普通函数，实际上多了三条汇编指令（取虚表，取函数地址，call调用）。
至于虚函数如何影响cpu的流水线，则主要是因为call指令，具体可以看这个网址的演示：
CPU流水线的一个演示：http://www.pictutorials.com/Instruction_Pipeline.html
第3点，编译器不能内联优化，则是因为在得到子类的引用或者指针之前，根本不知道要调用哪一个函数，所以无从内联。
但是，要注意的是，对于子类直接调用虚函数，是可以内联优化的。如以下的代码，编译器是完全可以内联展开的。
VirtualVector v(100);
v.push_back(1);
v.at(0);二、实际测试
光说不练显然不行，下面用代码来测试下虚函数到底有多慢。
下面的代码只是测试用，不考虑细节。
Vector类包装了一个数组，提供push_back，at，clear函数。
VirtualVector类继承了IVector，同样实现了push_back，at，clear函数，但是都是虚函数。
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <vector>
using namespace std;
const int size = 100000000;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
int main()
{
cout<<sizeof(VirtualVector)<<endl;
Vector *v = new Vector(size);
VirtualVector *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"<<endl;
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"<<endl;
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"<<endl;
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"<<endl;
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}上面的是只有一层继承的情况时的结果，尽管从虚函数的实现角度来看，多层继承和一层继承调用虚函数的效率都是一样的。
但是为了测试结果更加可信，下面是一个6层继承的测试代码（为了防止编译器的优化，有很多垃圾代码）：
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <vector>
using namespace std;
const int size = 100000000;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector1 : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector1(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[1] = val;
}
int at(int i)
{
return array[1];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector1()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
class VirtualVector2 : public VirtualVector1{
public:
VirtualVector2(int size):VirtualVector1(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[2] = val;
}
int at(int i)
{
return array[2];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector3 : public VirtualVector2{
public:
VirtualVector3(int size):VirtualVector2(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[3] = val;
}
int at(int i)
{
return array[3];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector4 : public VirtualVector3{
public:
VirtualVector4(int size):VirtualVector3(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[4] = val;
}
int at(int i)
{
return array[4];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector5 : public VirtualVector4{
public:
VirtualVector5(int size):VirtualVector4(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[5] = val;
}
int at(int i)
{
return array[5];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector6 : public VirtualVector5{
public:
VirtualVector6(int size):VirtualVector5(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[6] = val;
}
int at(int i)
{
return array[6];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class VirtualVector : public VirtualVector6{
public:
VirtualVector(int size):VirtualVector6(size)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
int main()
{
cout<<sizeof(VirtualVector)<<endl;
{
auto v = VirtualVector1(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
{
auto v = VirtualVector2(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
{
auto v = VirtualVector3(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
{
auto v = VirtualVector4(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
{
auto v = VirtualVector5(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
{
auto v = VirtualVector6(size);
v.push_back(0);
cout<<v.at(0)<<endl;
}
auto *v = new Vector(size);
auto *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"<<endl;
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"<<endl;
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"<<endl;
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"<<endl;
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}测试结果：
测试结果都取最小时间
1层继承的测试结果：
| push_back | at | |
| Vector | 0.263s | 0.04s |
| VirtualVector | 0.331s | 0.222s |
| 倍数 | 1.25 | 5.55 |
6层继承的测试结果：
| push_back | at | |
| Vector | 0.262s | 0.041s |
| VirtualVector | 0.334s | 0.223s |
| 倍数 | 1.27 | 5.43 |
一、可以看出继承层数和虚函数调用效率无关
二、可以看出虚函数慢得有点令人发指了，对于at操作，虚函数花的时间竟然是普通函数的5.5倍！
但是，再看看，我们可以发现对于push_back操作，虚函数花的时间是普通函数的1.25倍。why?
再分析下代码，我们可以发现at操作的逻辑，明显要比push_back的逻辑要简单。
虚函数额外消耗时间为 vt，函数本身所消耗时间为 ft，则有以下
倍数 = (vt + ft)/ft = 1 + vt/ft
显然当ft越大，即函数本身消耗时间越长，则倍数越小。
那么让我们在at操作中加了额外代码，统计下1到100之和：
int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}测试代码：
#include <iostream>
#include <time.h>
#include <vector>
using namespace std;
const int size = 100000000;
int sssForTest = 0;
class Vector{
private:
int *array;
int pos;
public:
Vector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
};
class IVector{
public:
virtual void push_back(int val) = 0;
virtual int at(int i) = 0;
virtual void clear() = 0;
virtual ~IVector() {};
};
class VirtualVector : public IVector{
public:
int *array;
int pos;
public:
VirtualVector(int size):array(new int[size]),pos(0)
{
}
void push_back(int val)
{
array[pos++] = val;
}
int at(int i)
{
sssForTest = 0;
for(int j = 0; j < 100; ++j)
sssForTest += j;
return array[i];
}
void clear()
{
pos = 0;
}
~VirtualVector()
{
if(array != NULL)
delete array;
}
};
void testVectorPush(Vector& v){
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVectorAt(Vector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
void testVirtualVectorPush(IVector& v)
{
v.clear();
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
nTimeStart = clock(); //
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
v.push_back(i);
//cout<<v.size()<<endl;
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
}
void testVirtualVectorAt(IVector& v)
{
clock_t nTimeStart; //计时开始
clock_t nTimeStop; //计时结束
int sum = 0;
nTimeStart = clock(); //
for(int j = 0; j < 1; ++j)
{
for(int i = 0; i < size; ++i)
{
sum += v.at(i);
}
}
nTimeStop = clock(); //
cout <<"耗时："<<(double)(nTimeStop - nTimeStart)/CLOCKS_PER_SEC<<"秒"<< endl;
cout<<"sum:"<<sum<<endl;
}
int main()
{
cout<<sizeof(VirtualVector)<<endl;
Vector *v = new Vector(size);
VirtualVector *V = new VirtualVector(size);
cout<<"testVectorPush:"<<endl;
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
testVectorPush(*v);
cout<<"testVirtualVectorPush:"<<endl;
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
testVirtualVectorPush(*V);
cout<<"testVectorAt:"<<endl;
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
testVectorAt(*v);
cout<<"testVirtualVectorAt:"<<endl;
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
testVirtualVectorAt(*V);
return 0;
}at操作中增加求和后的统计结果：
| push_back | at 增加求和代码 | |
| Vector | 0.265s | 6.893s |
| VirtualVector | 0.328s | 7.125s |
| 倍数 | 1.23 | 1.03 |
只是简单增加了一个求和代码，我们可以看到，倍数变成了1.03，也就是说虚函数的消耗基本可以忽略了。
所以说，虚函数的效率到底低不低和实际要调用的函数的耗时有关，当函数本身的的耗时越长，则虚函数的影响则越小。
再从另一个角度来看，一个虚函数调用到底额外消耗了多长时间？
从统计数据来看100,000,000次函数调用，虚函数总共额外消耗了0.05~0.23秒（VirtualVector对应时间减去Vector时间），
也就是说，1亿次调用，虚函数额外花的时间是0.x到2.3秒。
也就是说，如果你有个函数，要被调用1亿次，而这1亿次调用所花的时间是几秒，十几秒，且你不能容忍它慢一二秒，那么就干掉虚函数吧^_^。
三、总结：
- 虚函数调用效率和继承层数无关；
- 其实虚函数还是挺快的。
- 如果真的要完全移除虚函数，那么如果要实现运行时多态，则要用到函数指针，据上面的分析，函数指针基本具有虚函数的所有缼点（要传递函数指针，同样无法内联，同样影响流水线），且函数指针会使代码混乱。
BTW：测试cpu是i5。
TODO：测试指针函数，boost::bind的效率
