虚函数效率真的低吗？

说虚函数“效率低”，其实是一种比较片面的说法。更准确地说，虚函数会带来一定的性能开销，但这并不意味着它就一定“低效”，更不代表就应该避免使用。理解这个问题，我们需要深入到 C++ 的底层机制中去。

想象一下，我们写了这样一段 C++ 代码：

```c++
class Base {
public:
virtual void doSomething() {
// Base class implementation
}
};

class Derived : public Base {
public:
void doSomething() override {
// Derived class implementation
}
};

int main() {
Base ptr = new Derived();
ptr>doSomething(); // 调用的是 Derived 的 doSomething
delete ptr;
return 0;
}
```

关键在于 `ptr>doSomething()` 这一行。当我们通过一个基类指针（`Base`）去调用一个虚函数（`doSomething()`），编译器如何知道应该调用哪个具体版本呢？特别是当 `ptr` 实际上指向一个 `Derived` 对象时。

这就是虚函数发挥作用的地方，而它实现的方式通常是借助 虚表 (Virtual Table, vtable) 和 虚指针 (Virtual Pointer, vptr)。

虚表 (vtable) 和虚指针 (vptr) 的工作原理：

1. 每个包含虚函数的类（以及有虚函数的基类）都会有一个与之关联的虚表。 这个虚表就像一个查找表，里面存储了这个类中所有虚函数的地址。

2. 每个使用虚函数的类的对象，都会有一个隐藏的成员，称为虚指针 (vptr)。 这个虚指针指向该对象所属类的虚表。

3. 当通过基类指针调用虚函数时，编译器会做以下事情：
首先，通过基类指针找到对象中的虚指针 (vptr)。
然后，通过虚指针找到对象所属类的虚表 (vtable)。
最后，在虚表中查找 `doSomething` 这个虚函数对应的地址，然后跳转到该地址去执行实际的代码。

这带来的开销体现在哪里？

额外的间接跳转： 与直接调用非虚函数（编译器在编译时就知道确切的函数地址，可以直接生成跳转指令）不同，调用虚函数需要两次间接跳转：一次是通过 vptr 找到 vtable，另一次是在 vtable 中找到函数地址。这种额外的跳转会消耗 CPU 的指令执行时间和分支预测资源。

存储开销： 每个包含虚函数的类的对象都需要额外存储一个虚指针 (vptr)。对于大量小对象的场景，这可能会产生可观的存储开销。此外，每个包含虚函数的类都需要一个虚表，这也会增加一些程序加载时和内存的开销。

查找时间： 在虚表中查找函数地址虽然很快（通常是数组查找），但相比于直接调用，依然是一个不可忽略的查找过程。

那么，虚函数真的“效率低”到不该用吗？

绝对不是。

1. “低效”是相对的，要看具体场景：
对性能要求极高的场景： 如果你正在开发一个对性能要求极其苛刻的代码，比如游戏引擎的核心渲染循环、高性能计算的底层库，或者需要处理海量数据的实时处理系统，那么每一点微小的开销都可能被放大。在这种情况下，过度使用虚函数可能会成为性能瓶颈，这时就需要考虑优化，比如使用模板元编程、静态分派、或者将性能敏感的代码提取出来用非虚函数实现。
绝大多数场景： 对于大多数应用程序来说，程序的性能瓶颈往往不在于虚函数的间接调用，而在于算法效率、数据结构设计、I/O 操作、内存分配等更宏观的层面。虚函数的开销相比于这些因素来说，往往微不足道，甚至可以忽略不计。

2. 虚函数带来的收益远大于开销：
多态性： 这是虚函数存在的根本原因和最大价值。它允许我们编写更加灵活、可扩展的代码。我们可以通过基类指针或引用来操作派生类对象，而无需知道具体的派生类型。这使得插件系统、图形渲染、数据库接口等能够轻松实现。
代码的灵活性和可维护性： 借助虚函数，我们可以轻松地添加新的派生类，而无需修改已有的基类代码或使用基类指针的代码。这大大提高了代码的可维护性和可扩展性。
设计模式的应用： 许多重要的设计模式（如策略模式、模板方法模式、工厂模式）都严重依赖于虚函数来实现。

如何更细致地理解“效率低”？

编译器优化： 现代编译器非常智能。它们会进行大量的优化，包括内联 (inlining)。如果编译器能够确定在某个特定的上下文（例如，通过 `static_cast` 将基类指针转换为派生类指针，或者在 `if constexpr` 中确定了类型），它可以将虚函数调用优化为直接调用，从而消除虚函数带来的开销。例如：

```c++
class Base {
public:
virtual void foo() {}
};
class Derived : public Base {
public:
void foo() override {}
};

void process(Base b) {
// 编译器如果能确定 b 指向 Derived，可能会优化掉虚函数开销
b>foo();
}

// 如果已知类型，编译器可以直接调用 Derived::foo
Derived d = new Derived();
d>foo();
// delete d;
```

更进一步，如果一个虚函数在运行时被调用时，其具体的派生类是确定的，并且编译器能够进行链接时优化 (LinkTime Optimization, LTO)，或者在运行时进行即时编译 (JustInTime Compilation, JIT)，那么虚函数的开销也会被大大减小。

函数体的大小： 如果虚函数体非常小（例如，只是一个简单的 getter 或 setter），那么函数调用本身的开销（包括虚函数带来的开销）可能会相对于函数体内的操作成为一个显著的部分。但如果函数体很庞大，虚函数带来的那点额外开销就显得微不足道了。

对象的大小和数量： 如果你创建了成千上万个对象，每个对象都需要一个虚指针，那么内存占用确实会增加。但对于一般的应用程序而言，这种增加通常是可以接受的。

总结一下：

说虚函数“效率低”是不准确的，更准确的说法是它会引入一定的运行时开销，主要体现在间接跳转和额外的存储。这些开销在某些极端性能敏感的场景下可能需要关注和优化。

然而，对于绝大多数的 C++ 开发而言，虚函数带来的多态性、灵活性和可维护性的好处，远远超过了其带来的微小性能开销。 过早地为了“性能”而避免使用虚函数，很可能导致代码变得冗长、难以扩展和维护，反而得不偿失。

正确的做法是：

1. 优先考虑代码的清晰性、灵活性和可维护性。 如果虚函数能帮助你实现良好的设计，大胆使用。
2. 当遇到性能瓶颈时，才去进行性能分析和优化。 如果分析发现虚函数的调用是瓶颈所在，再考虑其他的解决方案，比如：
使用 `static_cast` 来进行静态调度（如果类型已知）。
使用 `std::variant` 或其他类型擦除技术。
通过模板来实现泛型编程，从而获得静态分派的性能。
重新审视设计，看是否可以减少对动态多态的依赖。
在极端情况下，将性能敏感的代码进行特殊处理或内联。

记住，C++ 是一门强大的语言，提供了多种解决问题的方法，虚函数只是其中的一种，而且是一种非常重要且有价值的工具。不要因为潜在的“低效”就否定它的价值。

网友意见

要做比较，最起码要有一个公平的比较场景。

说虚函数效率低，那要看跟谁比：如果跟普通函数比，编译器对普通函数可以做预加载，可以做分支预测，可以做内联展开，当然虚函数慢。

但是，虚函数的RTTI是用在这个场景的吗？你都能在编译期知道实际调用哪个函数了，还叫作RTTI吗？其实如果编译器在编译时能够识别出虚函数的实际调用目标，一样可以绕开虚表直接调用目标函数，这时候，甚至包括内联等优化手段也都是可以用的，和普通成员函数完全一样的待遇。

所以，换一个比法：在实现同样功能需求下，虚函数真的比其它实现RTTI的方式要慢吗？

例如说我随手摘两个linux内核的数据结构，看看经典的纯C代码是怎么解决这类问题的：

       struct file {  union {   struct llist_node fu_llist;   struct rcu_head  fu_rcuhead;  } f_u;  struct path  f_path;  struct inode  *f_inode; /* cached value */  const struct file_operations *f_op;   /*   * Protects f_ep_links, f_flags.   * Must not be taken from IRQ context.   */  spinlock_t  f_lock;  enum rw_hint  f_write_hint;  atomic_long_t  f_count;  unsigned int   f_flags;  fmode_t   f_mode;  struct mutex  f_pos_lock;  loff_t   f_pos;  struct fown_struct f_owner;  const struct cred *f_cred;  struct file_ra_state f_ra;   u64   f_version; #ifdef CONFIG_SECURITY  void   *f_security; #endif  /* needed for tty driver, and maybe others */  void   *private_data;  #ifdef CONFIG_EPOLL  /* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */  struct list_head f_ep_links;  struct list_head f_tfile_llink; #endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */  struct address_space *f_mapping;  errseq_t  f_wb_err;  errseq_t  f_sb_err; /* for syncfs */ } __randomize_layout   __attribute__((aligned(4))); /* lest something weird decides that 2 is OK */     

其中，file_operations的定义是这样的：

       struct file_operations {  struct module *owner;  loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);  ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);  ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);  ssize_t (*read_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);  ssize_t (*write_iter) (struct kiocb *, struct iov_iter *);  int (*iopoll)(struct kiocb *kiocb, bool spin);  int (*iterate) (struct file *, struct dir_context *);  int (*iterate_shared) (struct file *, struct dir_context *);  __poll_t (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);  int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);  unsigned long mmap_supported_flags;  int (*open) (struct inode *, struct file *);  int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);  int (*release) (struct inode *, struct file *);  int (*fsync) (struct file *, loff_t, loff_t, int datasync);  int (*fasync) (int, struct file *, int);  int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);  ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);  unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);  int (*check_flags)(int);  int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);  ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);  ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);  int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **, void **);  long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,      loff_t len);  void (*show_fdinfo)(struct seq_file *m, struct file *f); #ifndef CONFIG_MMU  unsigned (*mmap_capabilities)(struct file *); #endif  ssize_t (*copy_file_range)(struct file *, loff_t, struct file *,    loff_t, size_t, unsigned int);  loff_t (*remap_file_range)(struct file *file_in, loff_t pos_in,        struct file *file_out, loff_t pos_out,        loff_t len, unsigned int remap_flags);  int (*fadvise)(struct file *, loff_t, loff_t, int); } __randomize_layout;     

也就是说，在“一切皆文件”的linux内核里，它的实现手段本质上和C++的vptr+vtable是完全等价的，照样是查表跳转。所谓的“虚函数慢”的因素，在这里照样一个不拉。

如果有谁不服气，觉得linux在这里的实现方案不够精巧效率不够高，可以自己提一个方案出来试试看？

在你真的受到它的效率困扰之前，纠结它没有任何意义。

• 多个一两次的寻址问题不大，现代的CPU主频动不动上GHz，不比当年的386、486、586了。
• 你要是考虑多一两次寻址的问题，还不如好好优化一下参数传递。参数列表是不是过长？如果是拷贝传递的，那拷贝成本如何？参数列表中有没有临时对象？这些临时对象如果开销太大，是否可以提前准备和异步销毁？
• 不能内联。不能内联的函数多了去了，又不是教学示范，即使都不内联，也比某些慢吞吞的解释执行的语言快到不知哪里去了。
• 打断CPU流水线，严重降低分支预测的成功率：1个函数2000行，且没有 if-else？这样我保证不打断。

最后，除非你是写8位或者16位的低功耗片上系统，否则还是多考虑一下其他地方的成本开销吧。比如说，锁、事务、业务流程、I/O（HTTP、HTTPS等）、编码协议（JSON、SOAP、XML等）。

虚函数使你设计的时候更加灵活便捷，但如果介意它的性能开销，除非你不用事务、锁，不用HTTP/HTTPS做传输，不用JSON/SOAP/XML做编码或者序列化。否则就是渴得要死的时候，放着遍地的西瓜 不捡，却在找哪里有芝麻，希望芝麻炸出的油能解解渴。毕竟大家都说，芝麻能榨油不是？

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