C++的运行时多态，性能损失有多大？
C++ 运行时多态：性能的代价与权衡
在 C++ 的世界里，我们常常惊叹于它的灵活性和表达力。其中，运行时多态（Runtime Polymorphism）是实现这一能力的关键机制之一，它允许我们在程序运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。这就像一个剧团的导演，在舞台上，他可以根据演员扮演的角色，准确地指挥演员做出相应的动作，而不是提前固定好所有动作。
然而，这种强大的灵活性并非没有代价。运行时多态在带来便利的同时，也伴随着一定的性能损耗。理解这些损耗的来源和程度，对于我们做出明智的设计决策至关重要。
运行时多态的实现机制：虚函数和虚表
要深入理解运行时多态的性能影响，我们首先需要了解它是如何实现的。在 C++ 中，运行时多态主要依赖于虚函数（virtual functions）和虚表（vtable）。
当一个类声明了虚函数，并且其派生类也重写了这些虚函数时，编译器会在该类中生成一个隐藏的指针，称为虚函数指针（vptr）。这个虚函数指针指向该类特有的虚函数表（vtable）。虚函数表是一张表，存储了该类所有虚函数的地址。
当通过基类指针或引用调用一个虚函数时，程序会在运行时查找这个虚函数指针，然后根据虚函数指针找到对应的虚函数表，并从中取出该虚函数的地址来执行。
举个例子：
```c++
class Base {
public:
virtual void func1() { / ... / }
virtual void func2() { / ... / }
void nonVirtualFunc() { / ... / }
};
class Derived : public Base {
public:
void func1() override { / ... / } // 重写虚函数
void func2_again() { / ... / } // 派生类特有函数
};
```
在这个例子中，`Base` 类中的 `func1` 和 `func2` 是虚函数。`Derived` 类继承了 `Base`，并重写了 `func1`。
`Base` 对象内部会有一个指向 `Base` 类虚函数表的指针。
`Derived` 对象内部会有一个指向 `Derived` 类虚函数表的指针。`Derived` 的虚函数表会包含 `Base` 的虚函数地址（如果未被重写，则指向基类的实现），以及自己重写的 `func1` 的地址。
性能损耗的来源
现在，我们来剖析一下运行时多态带来的性能损耗主要体现在哪些方面：
1. 虚函数调用开销（Virtual Call Overhead）：
两次间接跳转：当通过基类指针调用虚函数时，程序需要先通过对象的隐藏的虚函数指针找到对应的虚函数表，然后再从虚函数表中找到正确的函数地址进行跳转。这比直接调用非虚函数（一次直接跳转）多了一次额外的间接跳转。
查找过程：虽然虚函数表是一个数组，查找过程相对较快，但与直接函数调用相比，仍然存在查找的开销。
2. 内存开销（Memory Overhead）：
虚函数指针的存储：每个包含虚函数的类（以及其派生类）的对象都需要额外存储一个虚函数指针。虽然一个指针的大小通常不大（取决于平台，可能是4或8字节），但如果一个程序有大量的对象，这个内存开销累积起来也是不可忽视的。
虚函数表的存储：每个类（即使是抽象基类）也会生成一个虚函数表。这意味着每个类都会占用一定的内存来存储其虚函数表。
3. 缓存局部性（Cache Locality）：
虚函数表可能不在对象附近：虚函数表是与类关联的，并不直接存储在对象内部（只有一个指针）。当程序需要查找虚函数表时，可能需要从内存中加载虚函数表，这可能会导致缓存未命中（cache miss），从而引入延迟。
函数地址分散：通过虚函数表调用函数，函数地址可能分布在内存的不同区域，不像通过 vtable 调用的时候，函数的地址会分散在各个 vtable 里，这样对 CPU 的缓存就不是很友好。
4. 编译时优化的限制（Limited CompileTime Optimizations）：
内联优化受阻：编译器通常会优先考虑对非虚函数进行内联（inlining）优化。这是因为编译器在编译时就能确定非虚函数的具体实现，可以直接将函数体插入到调用点，从而消除函数调用的开销。然而，对于虚函数，编译器在编译时无法确定具体调用哪个派生类的函数，因此很难对其进行有效的内联。虽然现代编译器在某些情况下（例如通过某些技巧或在已知对象类型时）可能对虚函数进行内联，但这远不如对非虚函数那样普遍和高效。
其他优化受限：其他一些依赖于函数具体实现的编译器优化，例如常量折叠、循环展开等，在遇到虚函数时也可能受到限制。
性能损失有多大？量化评估
精确地量化运行时多态的性能损耗是困难的，因为它受到多种因素的影响，包括：
程序的整体结构和调用模式：一个频繁调用虚函数的程序，其性能损耗会比一个很少使用虚函数的程序更明显。
虚函数的数量和复杂度：虚函数本身执行的代码越简单，函数调用开销在总执行时间中的占比就越高。
编译器和编译选项：不同的编译器对虚函数的优化程度不同，开启不同的优化选项也会影响性能。
硬件架构和缓存机制：CPU 的缓存大小、预取机制等都会影响间接跳转的成本。
函数调用的频率：如果一个函数被调用得非常频繁，哪怕是很小的函数调用开销，累积起来也会非常显著。
然而，我们可以给出一些普遍的估计和经验法则：
函数调用开销的增加：相对于直接函数调用，一次虚函数调用可能带来 1030 倍甚至更多的开销。这主要是因为上面提到的两次间接跳转和查找过程。请注意，这个数字是一个非常粗略的估计，具体情况差异很大。
内存使用增加：每个支持多态的对象都会增加大约一个指针的内存开销。对于大量对象而言，这可能导致显著的内存增长。
实际应用中的影响：在许多应用场景中，这种损耗可能并不明显，特别是在虚函数调用不是性能瓶颈的情况下，或者虚函数的实现本身需要大量计算时，函数本身的计算开销会掩盖掉函数调用带来的额外开销。
极端情况的性能影响：但在一些对性能要求极高的场景，例如游戏引擎的渲染管线、高性能计算库等，每一次函数调用都至关重要，那么虚函数调用带来的开销就可能成为一个严重的瓶颈。
举个具体的例子来辅助理解：
假设我们有一个场景，需要在一个循环中对 100 万个对象执行一个简单的操作，这个操作被封装在一个虚函数里。
非虚函数调用：每次调用，可能只需要几十个 CPU 周期（取决于函数本身复杂度）。
虚函数调用：可能需要几百个甚至上千个 CPU 周期（包括查找 vtable、间接跳转等）。
即使每个虚函数调用只比非虚函数调用慢 100 个周期，累积起来就是 100 万 100 = 1 亿个周期的额外开销。如果一个 CPU 的时钟频率是 3GHz（每秒 30 亿个周期），那么这 1 亿个周期的额外开销就可能花费近 33 毫秒。如果这个操作是这个程序的主要计算负担，那么这个性能损失将是非常可观的。
如何权衡？
理解了性能损耗的来源和程度，我们就可以在设计中做出更明智的权衡：
1. 何时可以使用运行时多态？
当我们需要在运行时根据对象的实际类型来执行不同的行为时。
当需要实现面向接口编程（Programming to an interface）时。
当需要设计可扩展性强、易于维护的系统时，运行时多态是实现这些目标的重要工具。
2. 何时应考虑避免或减少运行时多态？
性能关键路径：如果某个部分的代码是程序的性能瓶颈，并且其性能高度依赖于函数调用速度，那么应谨慎使用虚函数。
少量对象，频繁操作：如果操作的对象数量不多，但每次操作都非常频繁，那么虚函数调用的累积开销可能会很明显。
编译器已知类型：如果在某个上下文环境中，编译器已经确切地知道对象的实际类型（例如，在一个专门处理某一派生类对象的函数中），那么就可以考虑使用静态分派（直接函数调用），甚至 cast 到派生类指针来调用非虚函数。
3. 替代方案和优化技巧
模板（Templates）与静态多态（Static Polymorphism）：模板允许在编译时根据类型参数生成不同的代码，从而实现多态行为，但这是静态多态。静态多态的性能优势在于它避免了运行时查找，通常可以进行内联优化，并且没有虚函数指针的内存开销。
`std::function` 和 Lambda 表达式：在某些场景下，可以使用 `std::function` 来存储函数对象（包括 lambda），并对其进行调用。 `std::function` 内部也可能涉及额外的间接跳转，但其灵活性有时能弥补性能上的微小损失，并且它比虚函数更通用，可以存储非成员函数、成员函数指针等。
策略模式（Strategy Pattern）结合模板或枚举：对于数量有限的、已知的行为，可以使用模板来选择不同的策略实现，或者使用枚举来区分不同的行为，然后通过 `switch` 语句或查找表来调用相应的函数。
成员函数指针（Member Function Pointers）：对于类成员函数，可以使用成员函数指针，但调用成员函数指针也需要一个额外的间接跳转，而且需要绑定对象。
极致优化：避免虚函数：在某些极端的性能敏感场景，如果可以接受代码复杂度的增加，可以尝试完全避免虚函数，通过其他方式（例如使用大量模板和条件编译）来实现。
结论：没有免费的午餐
C++ 的运行时多态是一个非常强大的特性，它为我们提供了极大的灵活性和抽象能力。然而，这种灵活性是以一定的性能为代价的。理解虚函数调用、虚表以及它们带来的间接跳转、内存开销和对编译器优化的限制，是做出正确设计决策的关键。
在绝大多数情况下，运行时多态带来的性能损耗是可以接受的，甚至对于代码的可维护性和可扩展性来说是值得的。但是，当我们面对性能至关重要的场景时，需要审慎评估使用虚函数的必要性，并考虑使用静态多态（如模板）或其他替代方案来优化性能。
作为开发者，我们的目标是在代码的灵活性、可读性、可维护性以及性能之间找到最佳的平衡点。运行时多态是 C++ 语言提供的一种强大的工具，但如何使用它，以及何时不使用它，取决于我们对具体需求的理解和对性能的考量。
在 C++ 的世界里，我们常常惊叹于它的灵活性和表达力。其中，运行时多态（Runtime Polymorphism）是实现这一能力的关键机制之一，它允许我们在程序运行时根据对象的实际类型来决定调用哪个函数。这就像一个剧团的导演，在舞台上，他可以根据演员扮演的角色，准确地指挥演员做出相应的动作，而不是提前固定好所有动作。
然而，这种强大的灵活性并非没有代价。运行时多态在带来便利的同时，也伴随着一定的性能损耗。理解这些损耗的来源和程度，对于我们做出明智的设计决策至关重要。
运行时多态的实现机制：虚函数和虚表
要深入理解运行时多态的性能影响，我们首先需要了解它是如何实现的。在 C++ 中，运行时多态主要依赖于虚函数（virtual functions）和虚表（vtable）。
当一个类声明了虚函数，并且其派生类也重写了这些虚函数时，编译器会在该类中生成一个隐藏的指针，称为虚函数指针（vptr）。这个虚函数指针指向该类特有的虚函数表（vtable）。虚函数表是一张表，存储了该类所有虚函数的地址。
当通过基类指针或引用调用一个虚函数时，程序会在运行时查找这个虚函数指针，然后根据虚函数指针找到对应的虚函数表，并从中取出该虚函数的地址来执行。
举个例子：
```c++
class Base {
public:
virtual void func1() { / ... / }
virtual void func2() { / ... / }
void nonVirtualFunc() { / ... / }
};
class Derived : public Base {
public:
void func1() override { / ... / } // 重写虚函数
void func2_again() { / ... / } // 派生类特有函数
};
```
在这个例子中，`Base` 类中的 `func1` 和 `func2` 是虚函数。`Derived` 类继承了 `Base`，并重写了 `func1`。
`Base` 对象内部会有一个指向 `Base` 类虚函数表的指针。
`Derived` 对象内部会有一个指向 `Derived` 类虚函数表的指针。`Derived` 的虚函数表会包含 `Base` 的虚函数地址（如果未被重写，则指向基类的实现），以及自己重写的 `func1` 的地址。
性能损耗的来源
现在，我们来剖析一下运行时多态带来的性能损耗主要体现在哪些方面：
1. 虚函数调用开销（Virtual Call Overhead）：
两次间接跳转：当通过基类指针调用虚函数时，程序需要先通过对象的隐藏的虚函数指针找到对应的虚函数表，然后再从虚函数表中找到正确的函数地址进行跳转。这比直接调用非虚函数（一次直接跳转）多了一次额外的间接跳转。
查找过程：虽然虚函数表是一个数组，查找过程相对较快，但与直接函数调用相比，仍然存在查找的开销。
2. 内存开销（Memory Overhead）：
虚函数指针的存储：每个包含虚函数的类（以及其派生类）的对象都需要额外存储一个虚函数指针。虽然一个指针的大小通常不大（取决于平台，可能是4或8字节），但如果一个程序有大量的对象，这个内存开销累积起来也是不可忽视的。
虚函数表的存储：每个类（即使是抽象基类）也会生成一个虚函数表。这意味着每个类都会占用一定的内存来存储其虚函数表。
3. 缓存局部性（Cache Locality）：
虚函数表可能不在对象附近：虚函数表是与类关联的，并不直接存储在对象内部（只有一个指针）。当程序需要查找虚函数表时，可能需要从内存中加载虚函数表，这可能会导致缓存未命中（cache miss），从而引入延迟。
函数地址分散：通过虚函数表调用函数，函数地址可能分布在内存的不同区域，不像通过 vtable 调用的时候，函数的地址会分散在各个 vtable 里，这样对 CPU 的缓存就不是很友好。
4. 编译时优化的限制（Limited CompileTime Optimizations）：
内联优化受阻：编译器通常会优先考虑对非虚函数进行内联（inlining）优化。这是因为编译器在编译时就能确定非虚函数的具体实现，可以直接将函数体插入到调用点，从而消除函数调用的开销。然而，对于虚函数，编译器在编译时无法确定具体调用哪个派生类的函数，因此很难对其进行有效的内联。虽然现代编译器在某些情况下（例如通过某些技巧或在已知对象类型时）可能对虚函数进行内联，但这远不如对非虚函数那样普遍和高效。
其他优化受限：其他一些依赖于函数具体实现的编译器优化，例如常量折叠、循环展开等，在遇到虚函数时也可能受到限制。
性能损失有多大？量化评估
精确地量化运行时多态的性能损耗是困难的，因为它受到多种因素的影响，包括：
程序的整体结构和调用模式：一个频繁调用虚函数的程序，其性能损耗会比一个很少使用虚函数的程序更明显。
虚函数的数量和复杂度：虚函数本身执行的代码越简单，函数调用开销在总执行时间中的占比就越高。
编译器和编译选项：不同的编译器对虚函数的优化程度不同，开启不同的优化选项也会影响性能。
硬件架构和缓存机制：CPU 的缓存大小、预取机制等都会影响间接跳转的成本。
函数调用的频率：如果一个函数被调用得非常频繁，哪怕是很小的函数调用开销，累积起来也会非常显著。
然而，我们可以给出一些普遍的估计和经验法则：
函数调用开销的增加：相对于直接函数调用，一次虚函数调用可能带来 1030 倍甚至更多的开销。这主要是因为上面提到的两次间接跳转和查找过程。请注意，这个数字是一个非常粗略的估计，具体情况差异很大。
内存使用增加：每个支持多态的对象都会增加大约一个指针的内存开销。对于大量对象而言，这可能导致显著的内存增长。
实际应用中的影响：在许多应用场景中，这种损耗可能并不明显，特别是在虚函数调用不是性能瓶颈的情况下，或者虚函数的实现本身需要大量计算时，函数本身的计算开销会掩盖掉函数调用带来的额外开销。
极端情况的性能影响：但在一些对性能要求极高的场景，例如游戏引擎的渲染管线、高性能计算库等，每一次函数调用都至关重要，那么虚函数调用带来的开销就可能成为一个严重的瓶颈。
举个具体的例子来辅助理解：
假设我们有一个场景，需要在一个循环中对 100 万个对象执行一个简单的操作，这个操作被封装在一个虚函数里。
非虚函数调用：每次调用，可能只需要几十个 CPU 周期（取决于函数本身复杂度）。
虚函数调用：可能需要几百个甚至上千个 CPU 周期（包括查找 vtable、间接跳转等）。
即使每个虚函数调用只比非虚函数调用慢 100 个周期，累积起来就是 100 万 100 = 1 亿个周期的额外开销。如果一个 CPU 的时钟频率是 3GHz（每秒 30 亿个周期），那么这 1 亿个周期的额外开销就可能花费近 33 毫秒。如果这个操作是这个程序的主要计算负担，那么这个性能损失将是非常可观的。
如何权衡？
理解了性能损耗的来源和程度，我们就可以在设计中做出更明智的权衡：
1. 何时可以使用运行时多态？
当我们需要在运行时根据对象的实际类型来执行不同的行为时。
当需要实现面向接口编程（Programming to an interface）时。
当需要设计可扩展性强、易于维护的系统时，运行时多态是实现这些目标的重要工具。
2. 何时应考虑避免或减少运行时多态？
性能关键路径：如果某个部分的代码是程序的性能瓶颈，并且其性能高度依赖于函数调用速度，那么应谨慎使用虚函数。
少量对象，频繁操作：如果操作的对象数量不多，但每次操作都非常频繁，那么虚函数调用的累积开销可能会很明显。
编译器已知类型：如果在某个上下文环境中，编译器已经确切地知道对象的实际类型（例如，在一个专门处理某一派生类对象的函数中），那么就可以考虑使用静态分派（直接函数调用），甚至 cast 到派生类指针来调用非虚函数。
3. 替代方案和优化技巧
模板（Templates）与静态多态（Static Polymorphism）：模板允许在编译时根据类型参数生成不同的代码，从而实现多态行为，但这是静态多态。静态多态的性能优势在于它避免了运行时查找，通常可以进行内联优化，并且没有虚函数指针的内存开销。
`std::function` 和 Lambda 表达式：在某些场景下，可以使用 `std::function` 来存储函数对象（包括 lambda），并对其进行调用。 `std::function` 内部也可能涉及额外的间接跳转，但其灵活性有时能弥补性能上的微小损失，并且它比虚函数更通用，可以存储非成员函数、成员函数指针等。
策略模式（Strategy Pattern）结合模板或枚举：对于数量有限的、已知的行为，可以使用模板来选择不同的策略实现，或者使用枚举来区分不同的行为，然后通过 `switch` 语句或查找表来调用相应的函数。
成员函数指针（Member Function Pointers）：对于类成员函数，可以使用成员函数指针，但调用成员函数指针也需要一个额外的间接跳转，而且需要绑定对象。
极致优化：避免虚函数：在某些极端的性能敏感场景，如果可以接受代码复杂度的增加，可以尝试完全避免虚函数，通过其他方式（例如使用大量模板和条件编译）来实现。
结论：没有免费的午餐
C++ 的运行时多态是一个非常强大的特性，它为我们提供了极大的灵活性和抽象能力。然而，这种灵活性是以一定的性能为代价的。理解虚函数调用、虚表以及它们带来的间接跳转、内存开销和对编译器优化的限制，是做出正确设计决策的关键。
在绝大多数情况下，运行时多态带来的性能损耗是可以接受的，甚至对于代码的可维护性和可扩展性来说是值得的。但是，当我们面对性能至关重要的场景时，需要审慎评估使用虚函数的必要性，并考虑使用静态多态（如模板）或其他替代方案来优化性能。
作为开发者，我们的目标是在代码的灵活性、可读性、可维护性以及性能之间找到最佳的平衡点。运行时多态是 C++ 语言提供的一种强大的工具，但如何使用它，以及何时不使用它，取决于我们对具体需求的理解和对性能的考量。
网友意见
你这种情况没必要多态，最好是纯 c 的 api，然后不同的实现，都做成独立的库去实现这组 api 就行了。
如果要精简存储空间，那就用静态库，在编译时指定链接哪个，但这就没办法运行时切换。
如果不在乎存储空间，就做成动态库，运行时可以根据实际情况加载。
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