C++的效率淺析

2019-11-17 05:45:28

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供稿：網友

　　自從七十年代C語言誕生以來，一直以其靈活性、高效率和可移植性為軟件開發人員所鐘愛，成為系統軟件開發的首選工具。而C++作為C語言的繼續和發展，不僅保留了C語言的高度靈活、高效率和易于理解等諸多優點，還包含了幾乎所有面向對象的特征，成為新一代軟件系統構建的利器。

　　相對來說，C語言是一種簡潔的語言，所涉及的概念和元素比較少，主要是：宏(macro)、指針(pointer)、結構(strUCt)、函數(function)和數組(array)，比較輕易把握和理解。而C++不僅包含了上面所提到的元素，還提供了私有成員(PRivate members)、公有成員(public members)、函數重載(function overloading)、缺省參數(default parameters)、構造函數、析構函數、對象的引用(references)、操作符重載(Operator overloading)、友元(friends)、模板(templates)、異常處理(exceptions)等諸多的要素，給程序員提供了更大的設計空間，同時也增加了軟件設計的難度。

　　C語言之所以能被廣泛的應用，其高效率是一個不可忽略的原因，C語言的效率能達到匯編語言的80%以上，對于一種高級語言來說，C語言的高效率就不言而喻了。那么，C++相對于C來說，其效率如何呢？實際上，C++的設計者stroustrup要求C++效率必須至少維持在與C相差5%以內，所以，經過精心設計和實現的C++同樣有很高的效率，但并非所有C++程序具有當然的高效率，由于C++的非凡性，一些不好的設計和實現習慣依然會對系統的效率造成較大的影響。同時，也由于有一部分程序員對C++的一些底層實現機制不夠了解，就不能從原理上理解如何提高軟件系統的效率。

　　本文主要討論兩個方面的問題：第一，對比C++的函數調用和C函數調用，解析C++的函數調用機制；第二，例舉一些C++程序員不太注重的技術細節，解釋如何提高C++的效率。為方便起見，本文的討論以下面所描述的單一繼續為例(多重繼續有其非凡性，另作討論)。

class X
{
public:
virtual ~X(); //析構函數
virtual void VirtualFunc(); //虛函數
inline int InlineFunc() { return m_iMember}; //內聯函數
void NormalFunc(); //普通成員函數
static void StaticFunc(); //靜態函數
private:
int m_iMember;

};

class XX: public X
{
public:
XX();
virtual ~XX();
virtual void VirtualFunc();
private:
String m_strName;
int m_iMember2;

};

　　C++的的函數分為四種：內聯函數(inline member function)、靜態成員函數(static member function)、虛函數(virtual member function)和普通成員函數。

　　內聯函數類似于C語言中的宏定義函數調用，C++編譯器將內聯函數的函數體擴展在函數調用的位置，使內聯函數看起來象函數，卻不需要承受函數調用的開銷，對于一些函數體比較簡單的內聯函數來說，可以大大提高內聯函數的調用效率。但內聯函數并非沒有代價，假如內聯函數體比較大，內聯函數的擴展將大大增加目標文件和可運行文件的大小；另外，inline要害字對編譯器只是一種提示，并非一個強制指令，也就是說，編譯器可能會忽略某些inline要害字，假如被忽略，內聯函數將被當作普通的函數調用，編譯器一般會忽略一些復雜的內聯函數，如函數體中有復雜語句，包括循環語句、遞歸調用等。所以，內聯函數的函數體定義要簡單，否則在效率上會得不償失。

　　靜態函數的調用，如下面的幾種方式：

X obj; X* ptr = &obj;
obj.StaticFunc();
ptr->StaticFunc();
X::StaticFunc();

　　將被編譯器轉化為一般的C函數調用形式，如同這樣：

mangled_name_of_X_StaticFunc();
　　 //obj.StaticFunc();
mangled_name_of_X_StaticFunc();
　　 // ptr->StaticFunc();
mangled_name_of_X_StaticFunc();
　　// X::StaticFunc();

　　mangled_name_of_X_StaticFunc()是指編譯器將X::StaticFunc()函數經過變形(mangled)后的內部名稱(C++編譯器保證每個函數將被mangled為獨一無二的名稱，不同的編譯器有不同的算法，C++標準并沒有規定統一的算法，所以mangled之后的名稱也可能不同)。可以看出，靜態函數的調用同普通的C函數調用有完全相同的效率，并沒有額外的開銷。

　　普通成員函數的調用，如下列方式：

X obj; X* ptr = &obj;
obj.NormalFunc();
ptr->NormalFunc();

　　將被被編譯器轉化為如下的C函數調用形式，如同這樣。

mangled_name_of_X_NormalFunc(&obj);
　　 //obj.NormalFunc();
mangled_name_of_X_NormalFunc(ptr);
// ptr->NormalFunc();

　　可以看出普通成員函數的調用同普通的C調用沒有大的區別，效率與靜態函數也相同。編譯器將重新改寫函數的定義，增加一個const X* this參數將調用對象的地址傳送進函數。

　　虛函數的調用稍微復雜一些，為了支持多態性，實現運行時刻綁定，編譯器需要在每個對象上增加一個字段也就是vptr以指向類的虛函數表vtbl，如類X的對象模型如下圖所示(本文中對此不多做解釋，若想進一步了解，可以參考其它材料)。

C++的效率淺析

　　虛函數的多態性只能通過對象指針或對象的引用調用來實現，如下的調用：

X obj;
X* ptr = &obj; X& ref = obj;
ptr->VirtualFunc();
ref.VirtualFunc();

　　將被C++編譯器轉換為如下的形式。

( *ptr->vptr[2] )(ptr);
( *ptr->vptr[2] )(&ref);

　　其中的2表示VirtualFunc在類虛函數表的第2個槽位。可以看出，虛函數的調用相當于一個C的函數指針調用，其效率也并未降低。

　　由以上的四個例子可以看出，C++的函數調用效率依然很高。但C++還是有其非凡性，為了保證面向對象語義的正確性，C++編譯器會在程序員所編寫的程序基礎上，做大量的擴展，假如程序員不了解編譯器背后所做的這些工作，就可能寫出效率不高的程序。對于一些繼續層次很深的派生類或在成員變量中包含了很多其它類對象(如XX中的m_strName變量)的類來說，對象的創建和銷毀的開銷是相當大的，比如XX類的缺省構造函數，即使程序員沒有定義任何語句，編譯器依然會給其構造函數擴充以下代碼來保證對象語義的正確性：

XX::XX()
{
// 編譯器擴充代碼所要做的工作

1、調用父類X的缺省構造函數
2、設定vptr指向XX類虛函數表
3、調用String類的缺省構造函數構造m_strName
};

　　所以為了提高效率，減少不必要的臨時對象的產生、拖延暫時不必要的對象定義、用初始化代替賦值、使用構造函數初始化列表代替在構造函數中賦值等方法都能有效提高程序的運行效率。以下舉例說明：

　　1、減少臨時對象的生成。如以傳送對象引用的方式代替傳值方式來定義函數的參數，如下例所示，傳值方式將導致一個XX臨時對象的產生

效率不高的做法　　　　高效率做法
void Function( XX xx ) void Function( const XX& xx )
{ {
//函數體 //函數體
} }

　　2、拖延暫時不必要的對象定義。在C中要將所有的局部變量定義在函數體頭部，考慮到C++中對象創建的開銷，這不是一個好習慣。如下例，假如大部分情況下bCache為"真"，則拖延xx的定義可以大大提高函數的效率。

效率不高的做法高效率做法
void Function( bool bCache ) void Function( bool bCache )
{ {
//函數體 //函數體
XX xx; if( bCache )
if( bCache ) {// do something without xx
{ return;
// do something without xx }
return;
}
//對xx進行操作 XX xx;
//對xx進行操作
…
return; return;
} }

　　3、可能情況下，以初始化代替先定義后賦值。如下例，高效率的做法會比效率不高的做法省去了cache變量的缺省構造函數調用開銷。

效率不高的做法高效率做法
void Function( const XX& xx ) void Function( const XX& xx )
{ {
XX cache; XX cache = xx;
cache = xx ;
} }

　　4、在構造函數中使用成員變量的初始化列表代替在構造函數中賦值。如下例，在效率不高的做法中，XX的構造函數會首先調用m_strName的缺省構造函數，再產生一個臨時的String object，用空串""初始化臨時對象，再以臨時對象賦值(assign)給m_strName，然后銷毀臨時對象。而高效的做法只需要調用一次m_strName的構造函數。

效率不高的做法高效率做法
XX::XX() XX::XX() : m_strName( "" )
{ {
m_strName = ""; …
…
} }

　　類似的例子還很多，如何寫出高效的C++程序需要實踐和積累，但理解C++的底層運行機制是一個不可缺少的步驟，只要平時多學習和思考，編寫高效的C++程序是完全可行的。

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