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想必很多人都聽說過虛函數開銷大，貌似很多答案都說是因為虛函數表導致的那一次間接調用，真的如此嗎?

直接看下面這兩段代碼：

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(i, 10); 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執行時間：12.895s

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(i, 10); 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執行時間：12.706s

這兩段代碼的執行時間幾乎沒有區別，可見虛函數表導致的那一次函數間接調用并不浪費時間，所以虛函數的開銷并不在重定向上，這一次重定向基本上不影響程序性能。

那它的開銷究竟在哪里呢?看下面兩段代碼，這兩段代碼和上面相比只改動了一行：

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    virtual int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(10, i); // 這里有改動 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執行時間：436ms

#include <cmath> 
#include "timer.h" 
struct Base { 
   public: 
    int f(double i1, int i2) { return static_cast<int>(i1 * log(i1)) * i2; } 
}; 
 
int main() { 
    TimerLog t("timer"); 
    Base *a = new Base(); 
    int ai = 0; 
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) { 
        ai += a->f(10, i); // 這里有改動 
    } 
    cout << ai << endl; 
} 

執行時間154ms

這里看到，僅僅改變了一行代碼，虛函數調用就比普通函數慢了幾倍，為什么?

虛函數其實最主要的性能開銷在于它阻礙了編譯器內聯函數和各種函數級別的優化，導致性能開銷較大，在普通函數中log(10)會被優化掉，它就只會被計算一次，而如果使用虛函數，log(10)不會被編譯器優化，它就會被計算多次。如果代碼中使用了更多的虛函數，編譯器能優化的代碼就越少，性能就越低。

虛函數通常通過虛函數表來實現，在虛表中存儲函數指針，實際調用時需要間接訪問，這需要多一點時間。

然而這并不是虛函數速度慢的主要原因，真正原因是編譯器在編譯時通常并不知道它將要調用哪個函數，所以它不能被內聯優化和其它很多優化，因此就會增加很多無意義的指令(準備寄存器、調用函數、保存狀態等)，而且如果虛函數有很多實現方法，那分支預測的成功率也會降低很多，分支預測錯誤也會導致程序性能下降。

如果你想要寫出高性能代碼并頻繁的調用虛函數，注意如果用其它的方式(例如if-else、switch、函數指針等)來替換虛函數調用并不能根本解決問題，它還有可能會更慢，真正的問題不是虛函數，而是那些不必要的間接調用。

正常的函數調用：

1. 復制棧上的一些寄存器，以允許被調用的函數使用這些寄存器;
2. 將參數復制到預定義的位置，這樣被調用的函數可以找到對應參數;
3. 入棧返回地址;
4. 跳轉到函數的代碼，這是一個編譯時地址，因為編譯器/鏈接器硬編碼為二進制;
5. 從預定義的位置獲取返回值，并恢復想要使用的寄存器。

而虛函數調用與此完全不同，唯一的區別就是編譯時不知道函數的地址，而是：

1. 從對象中獲取虛表指針，該指針指向一個函數指針數組，每個指針對應一個虛函數;
2. 從虛表中獲取正確的函數地址，放到寄存器中;
3. 跳轉到該寄存器中的地址，而不是跳轉到一個硬編碼的地址。

通常，使用虛函數沒問題，它的性能開銷也不大，而且虛函數在面向對象代碼中有強大的作用。

但是不能無腦使用虛函數，特別是在性能至關重要的或者底層代碼中，而且大項目中使用多態也會導致繼承層次很混亂。

那么有什么好方法替代虛函數呢?這里提供幾個思路，讀者請持續關注，后續會具體講解：

• 使用訪問者模式來使類層次結構可擴展;
• 使用普通模板替代繼承和虛函數;
• C++20中的concepts用來替代面向對象代碼;
• 使用variants替代虛函數或模板方法。

這幾種方法是Michael Spertus大佬介紹的，各有各的優缺點，作者都會用，但什么情況下使用哪個，取決于你自己的判斷，這里只是教你了一個工具，什么時候用都取決于你自己。

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Michael Spertus

世界級C++技術權威

Michael Spertus是世界級C++技術權威。作為ISO C++標準委員會資深成員，Michael 曾遞交過50多項標準提案，是內存管理與性能調優方面公認的技術權威。他目前是Symantec的技術院士與首席科學家，負責云端安全服務。同時在芝加哥大學任教。Michael 自1980開始沉迷軟件設計，是IBM PC第一個商用C語言編譯器的作者，并曾創辦 Geodesic，后被VERITAS收購。

參考資料

https://softwareengineering.stackexchange.com/questions/191637/in-c-why-and-how-are-virtual-functions-slower