虚函数效率真的低吗？

虚函数效率真的低吗？

虚函数确实可能带来一些性能开销，不过这种开销在现代计算机架构下一般是可接受的。它通过 动态绑定机制实现多态性 、 牺牲了部分性能来增加软件的可扩展性和可维护性 。虚函数的调用机制涉及间接寻址和表查找，这相对于直接函数调用而言是一个更为复杂的过程。在性能敏感的应用场合，虚函数的开销有可能成为瓶颈，这时候编程人员可能需要采取优化措施。

首先，理解虚函数的工作机制对于分析其性能影响至关重要。 虚函数是通过虚函数表(vtable)来实现的 ，每个包含虚函数的类都有一个对应的虚函数表。当类的对象需要调用虚函数时，首先要在对象内部找到指向虚函数表的指针（通常是对象内存布局的前几个字节），然后在虚函数表中寻址到具体的虚函数实现，最后执行函数。这个查找和间接调用的过程会带来额外的CPU开销。

一、虚函数调用机制详解

虚函数表（VTable）是实现虚函数机制的核心 。每一个含有虚函数的类都会有一个虚函数表，用于存放虚函数指针。这就相当于在每个这样的对象实例中都有一个指向对应虚函数表的隐含指针，称为vptr。虚函数表的作用主要体现在程序运行时，当发生函数调用时，程序会根据对象的实际类型，通过vptr定位到正确的虚函数表，再由表中的函数指针调用正确的函数实现。

– 虚函数表的构建与维护

类的构造函数中会设置vptr指向正确的虚函数表。如果一个类是从另一个包含虚函数的类中派生而来，它可能会覆盖基类的某些虚函数实现。在这种情况下，派生类的虚函数表将包含指向新实现的函数指针，而保持那些没有被覆盖的虚函数指向基类实现。

– 虚函数的调用过程

当调用一个虚函数时，程序会使用对象的vptr来定位虚函数表，然后通过表中的函数指针调用相应的函数。如果一个函数不是虚函数，那么它的调用会在编译期间就确定下来，属于早绑定。相反，虚函数的调用必须等待到运行时才能解析，属于晚绑定。

二、虚函数带来的性能影响

虚函数的性能开销可以从以下几方面来衡量：

– 间接调用的开销

需要通过虚函数表进行间接调用相比直接调用来说增加了一些查找和跳转的步骤，这会稍微增加调用时间。

– 内存消耗

每个对象需要保持一个指向虚函数表的指针（vptr），对于内存敏感的应用来说，这可能会增加应用程序的内存占用。

– 缓存影响

频繁的间接调用可能导致CPU的指令缓存（i-cache）和数据缓存（d-cache）非常活跃，这有可能影响缓存的效率。

三、虚函数调用的性能优化

尽管虚函数会带来一定的性能成本，有时候我们可以通过优化来减少这些开销。

– 减少不必要的虚函数

审查代码，避免不必要地声明虚函数 。当你可以确定一个成员函数在派生类中不需要被重写时，就不应该将其声明为虚函数。

– 尽量避免在性能关键的代码路径中使用虚函数

对于性能关键部分，可以使用模板或者内联函数来替代虚函数 。这样做可以在编译期完成函数调用的解析，从而避免运行时的开销。

– 利用最终（final）声明

对于C++11之后版本，如果能确定一个类不会被进一步派生，或者一个虚函数不会被进一步重写，可以使用final关键字进行声明，这可能会帮助编译器进行进一步的优化。

四、虚函数与程序设计的权衡

值得注意的是，虚函数并不总是影响程序的性能。如果一个软件系统需要使用多态性，那么使用虚函数是实现这一点的重要技术手段。

– 设计可扩展性

虚函数让派生类可以重写基类的行为，这对于设计可扩展的软件系统至关重要。在很多情况下，性能的轻微下降可以为更高的软件灵活性和维护性所接受。

– 多态的运用

多态允许我们编写更通用的代码 ，这意味着可以编写一个通用的接口来处理不同类型的对象。这样的编程模式十分有利于代码库的维护和扩展。

虚函数是否真的低效，需要具体问题具体分析。对于需要运用到多态特性、面向对象设计的程序，虚函数所带来的开销很多时候是可以忽略不计的。开发者应该更关心如何平衡设计的灵活性和程序运行的效率，适时地对性能关键的部分进行优化，而不是一概而论避免使用虚函数。