C ++ 'da sanal fonksiyonlar neden ve nasıl yavaşlar?

Herkes sanal masanın tam olarak nasıl çalıştığını ve sanal işlevler çağrıldığında hangi işaretçilerle ilişkilendirildiğini ayrıntılı olarak açıklayabilir mi?

Aslında daha yavaşlarsa, sanal işlevin yürütülmesi için geçen süreyi normal sınıf yöntemlerinden daha fazla gösterir misiniz? Bazı kodları görmeden, nasıl / ne olup bittiğini takip etmek kolaydır.

Sanal yöntemler genellikle işlev işaretçilerinin depolandığı sanal yöntem tabloları (kısaca seçilebilir) aracılığıyla uygulanır. Bu, asıl aramaya dolaysızlık ekler (sadece vtable'dan çağrılacak fonksiyonun adresini getirmeli, sonra onu çağırmalıyız - tam olarak onu çağırmak yerine). Tabii ki, bu biraz zaman ve biraz daha kod alır.

Bununla birlikte, ille de yavaşlamanın ana nedeni değildir. Asıl sorun, derleyicinin (genellikle / genellikle) hangi fonksiyonun çağrılacağını bilmemesidir . Dolayısıyla satır içi yapamaz ya da başka bir optimizasyon gerçekleştiremez. Bu tek başına bir düzine anlamsız talimat ekleyebilir (kayıtları hazırlamak, çağırmak, daha sonra durumu geri yüklemek) ve görünüşte alakasız optimizasyonları engelleyebilir. Dahası, birçok farklı uygulamayı çağırarak çılgın gibi dallarsanız, diğer yollarla çılgın gibi dallanacağınız hitlere benzer şekilde katlanırsınız: Önbellek ve dal tahmincisi size yardımcı olmaz, dallar mükemmel bir öngörülebilirden daha uzun sürer dalı.

Büyük ama : Bu performans isabetleri genellikle madde için çok küçük. Yüksek performanslı bir kod oluşturmak isteyip istemediğinize endişe verici bir sıklıkta çağrılacak sanal bir fonksiyon eklemeyi düşünebilirsiniz. Ancak, aynı zamanda diğer dallanma araçlarla sanal işlev çağrıları yerine (unutmayın if .. else, switchişlev işaretçileri, vs.) temel sorununu çözmez - çok iyi yavaş olabilir. Sorun (eğer varsa) sanal işlevler değil (gereksiz) dolaylı yüklemelerdir.

Düzenleme: Arama talimatlarındaki fark diğer cevaplarda açıklanmıştır. Temel olarak, statik ("normal") bir çağrının kodu:

• Çağrılan işlevin bu kayıtları kullanmasına izin vermek için yığındaki bazı kayıtları kopyalayın.
• Argümanları önceden tanımlanmış konumlara kopyalayın, böylece çağrılan işlev, çağrıldığı yerden bağımsız olarak bunları bulabilir.
• Dönüş adresini it.
• Bir derleme zamanı adresi olan fonksiyon koduna dallama / atlama ve dolayısıyla derleyici / linker tarafından ikili kodda kodlanmış.
• Önceden tanımlanmış bir konumdan dönüş değerini alın ve kullanmak istediğimiz kayıtları geri yükleyin.

Sanal bir çağrı, işlev adresinin derleme zamanında bilinmemesi dışında tamamen aynı şeyi yapar. Bunun yerine, birkaç talimat ...

• Nesneden, her sanal işlev için bir işlev işaretçisi dizisine (işlev adresleri) işaret eden vtable işaretçisini alın.
• Vtable'den doğru fonksiyon adresini bir sicile kaydedin (derleme zamanında doğru fonksiyon adresinin saklandığı indekse karar verilir).
• Kodlanmış bir adrese atlamak yerine, o kayıttaki adrese atlayın.

Dallara gelince: Dal, bir sonraki komutun çalıştırılmasına izin vermek yerine başka bir komutla atlayan herhangi bir şeydir. Bunlar arasında if, switchbazen çeşitli döngüler, fonksiyon çağrıları vb ve olmayan derleyici uygular şeyler parçaları aslında başlık altında bir şube ihtiyacı olduğu şekilde dal gibi görünüyor. Bkz Neden sırasız dizilerde daha hızlı sıralanmış bir dizi işliyor? Bunun neden yavaş olabileceğine, işlemcilerin bu yavaşlamaya karşı koymak için ne yaptığı ve bunun nasıl bir tedavi olmadığı.

Sırasıyla sanal işlev çağrısı ve sanal olmayan çağrının demonte ettiği bazı kodlar:

mov    -0x8(%rbp),%rax
mov    (%rax),%rax
mov    (%rax),%rax
callq  *%rax

callq  0x4007aa

Sanal aramanın doğru adrese bakmak için üç ek talimat gerektirdiğini, sanal olmayan aramanın adresinin derlenebildiğini görebilirsiniz.

Ancak, fazladan arama süresinin çoğu zaman ihmal edilebilir olarak kabul edilebileceğini unutmayın. Arama süresinin önemli olacağı durumlarda, bir döngüde olduğu gibi, değer genellikle döngüden önceki ilk üç talimatı yaparak önbelleğe alınabilir.

Arama süresinin önemli hale geldiği diğer durum, nesneler koleksiyonunuz varsa ve her birine sanal bir işlev çağrısı yaparak döngü yapıyor olmanızdır. Bununla birlikte, bu durumda, hangi fonksiyonu arayacağınıza karar vermek için bazı araçlara ihtiyacınız olacak ve sanal masa araması herhangi bir araç kadar iyi. Aslında, vtable arama kodu çok yaygın bir şekilde kullanıldığı için yoğun bir şekilde optimize edilmiştir, bu yüzden etrafta el ile çalışmaya çalışmak daha kötü performansa neden olma şansına sahiptir .

Neyden daha yavaş ?

Sanal işlevler, doğrudan işlev çağrılarıyla çözülemeyen bir sorunu çözer. Genel olarak, yalnızca aynı şeyi hesaplayan iki programı karşılaştırabilirsiniz. "Bu ışın izleyici, derleyiciden daha hızlıdır" anlamsızdır ve bu ilke, bireysel işlevler veya programlama dili yapıları gibi küçük şeyler için bile geneldir.

Dinamik olarak bir nesnenin türü gibi bir verilere dayanan bir kod parçasına geçmek için sanal bir işlev kullanmazsanız switch, aynı şeyi gerçekleştirmek için bir ifade gibi başka bir şey kullanmanız gerekir . Başka bir şeyin kendi genel giderleri, artı programın organizasyonu üzerindeki sürdürülebilirliğini ve küresel performansını etkileyen etkileri vardır.

C ++ 'da sanal işlevlere yapılan çağrıların her zaman dinamik olmadığını unutmayın. Çağrılar, tam tipi bilinen bir nesnede yapıldığında (nesne bir işaretçi ya da başvuru olmadığından ya da türü aksi takdirde statik olarak çıkarılabildiğinden), çağrılar yalnızca normal üye işlev çağrılarıdır. Bu, yalnızca genel gider gönderilmediği anlamına gelmez, aynı zamanda bu aramaların normal aramalarla aynı şekilde çizilebileceği anlamına gelir.

Başka bir deyişle, C ++ derleyiciniz sanal işlevler sanal gönderim gerektirmediğinde işe yarayabilir, bu nedenle genellikle sanal olmayan işlevlere göre performansları için endişelenmenize gerek yoktur.

Yeni: Ayrıca, paylaşılan kütüphaneleri de unutmamalıyız. Paylaşılan bir kütüphanede bulunan bir sınıf kullanıyorsanız, sıradan bir üye işlevine yapılan çağrı, yalnızca basit bir komut dizisi olmayacaktır callq 0x4007aa. Bir "program bağlantı tablosu" ndan veya dolayısı ile böyle bir yapıdan dolaylı olarak geçmek gibi, birkaç çember içinden geçmesi gerekir. Bu nedenle, paylaşılan kitaplık yönlendirmesi (tamamen olmasa da) sanal arama ile doğrudan arama arasındaki maliyet farkını bir dereceye kadar seviyelendirebilir. Bu yüzden sanal fonksiyon değişimlerinde akıl yürütme, programın nasıl inşa edildiğini hesaba katmalıdır: Hedef nesnenin sınıfının tek çağrı yaparak programa bağlı olup olmadığı.

çünkü sanal bir arama eşdeğerdir

res_t (*foo)(arg_t);
foo = (obj->vtable[foo_offset]);
foo(obj,args)

sanal olmayan bir işlevle, derleyici ilk satırı sabit olarak katlayabiliyorsa, bu bir zorunluluktur; bir ekleme ve sadece statik bir çağrıya dönüştürülmüş dinamik bir çağrı

Bu aynı zamanda fonksiyonun satır içi olmasını sağlar (tüm gerekli optimizasyon sonuçlarıyla birlikte)