C++語(yǔ)言的效率淺析

自從七十年代C語(yǔ)言誕生以來(lái)，一直以其靈活性、高效率和可移植性為軟件開(kāi)發(fā)人員所鐘愛(ài)，成為系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的首選工具。而C++作為C語(yǔ)言的繼承和發(fā)展，不僅保留了C語(yǔ)言的高度靈活、高效率和易于理解等諸多優(yōu)點(diǎn)，還包含了幾乎所有面向?qū)ο蟮奶卣鳎蔀樾乱淮浖到y(tǒng)構(gòu)建的利器。相對(duì)來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言是一種簡(jiǎn)潔的語(yǔ)言，所涉及的概念和元素比較少，主要是：宏(macro)、指針(pointer)、結(jié)構(gòu)(struct)、函數(shù)(function)和數(shù)組(array),比較容易掌握和理解。而C++不僅包含了上面所提到的元素，還提供了私有成員(privatemembers)、公有成員(publicmembers)、函數(shù)重載(functionoverloading)、缺省參數(shù)(defaultparameters)、構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、對(duì)象的引用(references)、操作符重載(operatoroverloading)、友元(friends)、模板(templates)、異常處理(exceptions)等諸多的要素，給程序員提供了更大的設(shè)計(jì)空間，同時(shí)也增加了軟件設(shè)計(jì)的難度。C語(yǔ)言之所以能被廣泛的應(yīng)用，其高效率是一個(gè)不可忽略的原因，C語(yǔ)言的效率能達(dá)到匯編語(yǔ)言的80%以上，對(duì)于一種高級(jí)語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，C語(yǔ)言的高效率就不言而喻了。那么，C++相對(duì)于C來(lái)說(shuō)，其效率如何呢？實(shí)際上，C++的設(shè)計(jì)者stroustrup要求C++效率必須至少維持在與C相差5%以?xún)?nèi)，所以，經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的C++同樣有很高的效率，但并非所有C++程序具有當(dāng)然的高效率，由于C++的特殊性，一些不好的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)習(xí)慣依然會(huì)對(duì)系統(tǒng)的效率造成較大的影響。同時(shí)，也由于有一部分程序員對(duì)C++的一些底層實(shí)現(xiàn)機(jī)制不夠了解，就不能從原理上理解如何提高軟件系統(tǒng)的效率。本文主要討論兩個(gè)方面的問(wèn)題：第一，對(duì)比C++的函數(shù)調(diào)用和C函數(shù)調(diào)用，解析C++的函數(shù)調(diào)用機(jī)制；第二，例舉一些C++程序員不太注意的技術(shù)細(xì)節(jié)，解釋如何提高C++的效率。為方便起見(jiàn)，本文的討論以下面所描述的單一繼承為例(多重繼承有其特殊性，另作討論）。C++的的函數(shù)分為四種：內(nèi)聯(lián)函數(shù)(inlinememberfunction)、靜態(tài)成員函數(shù)(staticmemberfunction)、虛函數(shù)(virtualmemberfunction)和普通成員函數(shù)。內(nèi)聯(lián)函數(shù)類(lèi)似于C語(yǔ)言中的宏定義函數(shù)調(diào)用，C++編譯器將內(nèi)聯(lián)函數(shù)的函數(shù)體擴(kuò)展在函數(shù)調(diào)用的位置，使內(nèi)聯(lián)函數(shù)看起來(lái)象函數(shù)，卻不需要承受函數(shù)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo),對(duì)于一些函數(shù)體比較簡(jiǎn)單的內(nèi)聯(lián)函數(shù)來(lái)說(shuō)，可以大大提高內(nèi)聯(lián)函數(shù)的調(diào)用效率。但內(nèi)聯(lián)函數(shù)并非沒(méi)有代價(jià)，如果內(nèi)聯(lián)函數(shù)體比較大，內(nèi)聯(lián)函數(shù)的擴(kuò)展將大大增加目標(biāo)文件和可運(yùn)行文件的大小；另外，inline關(guān)鍵字對(duì)編譯器只是一種提示，并非一個(gè)強(qiáng)制指令，也就是說(shuō)，編譯器可能會(huì)忽略某些inline關(guān)鍵字，如果被忽略，內(nèi)聯(lián)函數(shù)將被當(dāng)作普通的函數(shù)調(diào)用，編譯器一般會(huì)忽略一些復(fù)雜的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，如函數(shù)體中有復(fù)雜語(yǔ)句，包括循環(huán)語(yǔ)句、遞歸調(diào)用等。所以，內(nèi)聯(lián)函數(shù)的函數(shù)體定義要簡(jiǎn)單，否則在效率上會(huì)得不償失。靜態(tài)函數(shù)的調(diào)用，如下面的幾種方式：Xobj;X*ptr=&obj;obj.StaticFunc();ptr->StaticFunc();X::StaticFunc();將被編譯器轉(zhuǎn)化為一般的C函數(shù)調(diào)用形式，如同這樣mangled_name_of_X_StaticFunc();//obj.StaticFunc();mangled_name_of_X_StaticFunc();//ptr->StaticFunc();mangled_name_of_X_StaticFunc();//X::StaticFunc();mangled_name_of_X_StaticFunc()是指編譯器將X::StaticFunc()函數(shù)經(jīng)過(guò)變形(mangled)后的內(nèi)部名稱(chēng)(C++編譯器保證每個(gè)函數(shù)將被mangled為獨(dú)一無(wú)二的名稱(chēng)，不同的編譯器有不同的算法，C++標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有規(guī)定統(tǒng)一的算法，所以mangled之后的名稱(chēng)也可能不同)?？梢钥闯?，靜態(tài)函數(shù)的調(diào)用同普通的C函數(shù)調(diào)用有完全相同的效率，并沒(méi)有額外的開(kāi)銷(xiāo)。普通成員函數(shù)的調(diào)用，如下列方式:Xobj;X*ptr=&obj;obj.NormalFunc();ptr->NormalFunc();將被被編譯器轉(zhuǎn)化為如下的C函數(shù)調(diào)用形式，如同這樣mangled_name_of_X_NormalFunc(&obj);//obj.NormalFunc();

mangled_name_of_X_NormalFunc(ptr);//ptr->NormalFunc();可以看出普通成員函數(shù)的調(diào)用同普通的C調(diào)用沒(méi)有大的區(qū)別，效率與靜態(tài)函數(shù)也相同。編譯器將重新改寫(xiě)函數(shù)的定義，增加一個(gè)constX*this參數(shù)將調(diào)用對(duì)象的地址傳送進(jìn)函數(shù)。內(nèi)容摘要私有成員(privatemembers)、公有成員(publicmembers)、函數(shù)重載(functionoverloading)、缺省參數(shù)(defaultparameters)、構(gòu)造函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、對(duì)象的引用(references)、操作符重載(operatoroverloading)、友元(friends)、模板(templates)、異常處理(exceptions)等諸多的要素虛函數(shù)的調(diào)用稍微復(fù)雜一些，為了支持多態(tài)性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行時(shí)刻綁定，編譯器需要在每個(gè)對(duì)象上增加一個(gè)字段也就是vptr以指向類(lèi)的虛函數(shù)表vtbl，如類(lèi)X的對(duì)象模型如下圖所示（本文中對(duì)此不多做解釋?zhuān)粝脒M(jìn)一步了解，可以參考其它材料）。虛函數(shù)的多態(tài)性只能通過(guò)對(duì)象指針或?qū)ο蟮囊谜{(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，如下的調(diào)用:Xobj;X*ptr=&obj;X&ref=obj;ptr->VirtualFunc();ref.VirtualFunc();將被C++編譯器轉(zhuǎn)換為如下的形式(*ptr->vptr[2])(ptr)(*ptr—>vptr[2])(&ref);其中的2表示VirtuaIFunc在類(lèi)虛函數(shù)表的第2個(gè)槽位?？梢钥闯?，虛函數(shù)的調(diào)用相當(dāng)于一個(gè)C的函數(shù)指針調(diào)用，其效率也并未降低。由以上的四個(gè)例子可以看出，C++的函數(shù)調(diào)用效率依然很高。但C++還是有其特殊性，為了保證面向?qū)ο笳Z(yǔ)義的正確性，C++編譯器會(huì)在程序員所編寫(xiě)的程序基礎(chǔ)上，做大量的擴(kuò)展，如果程序員不了解編譯器背后所做的這些工作，就可能寫(xiě)出效率不高的程序。對(duì)于一些繼承層次很深的派生類(lèi)或在成員變量中包含了很多其它類(lèi)對(duì)象(如XX中的m_strName變量)的類(lèi)來(lái)說(shuō)，對(duì)象的創(chuàng)建和銷(xiāo)毀的開(kāi)銷(xiāo)是相當(dāng)大的，比如XX類(lèi)的缺省構(gòu)造函數(shù)，即使程序員沒(méi)有定義任何語(yǔ)句，編譯器依然會(huì)給其構(gòu)造函數(shù)擴(kuò)充以下代碼來(lái)保證對(duì)象語(yǔ)義的正確性：XX::XX(){//編譯器擴(kuò)充代碼所要做的工作1、 調(diào)用父類(lèi)X的缺省構(gòu)造函數(shù)2、 設(shè)定vptr指向XX類(lèi)虛函數(shù)表3、 調(diào)用String類(lèi)的缺省構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造m_strName}；所以為了提高效率，減少不必要的臨時(shí)對(duì)象的產(chǎn)生、拖延暫時(shí)不必要的對(duì)象定義、用初始化代替賦值、使用構(gòu)造函數(shù)初始化列表代替在構(gòu)造函數(shù)中賦值等方法都能有效提高程序的運(yùn)行效率。以下舉例說(shuō)明：1、減少臨時(shí)對(duì)象的生成。如以傳送對(duì)象引用的方式代替?zhèn)髦捣绞絹?lái)定義函數(shù)的參數(shù)，如下例所示，傳值方式將導(dǎo)致一個(gè)XX臨時(shí)對(duì)象的產(chǎn)生效率不咼的做法咼效率做法voidFunction(XXxx)voidFunction(constXX&xx){{//函數(shù)體//函數(shù)體}}2、拖延暫時(shí)不必要的對(duì)象定義。在C中要將所有的局部變量定義在函數(shù)體頭部，考慮到C++中對(duì)象創(chuàng)建的開(kāi)銷(xiāo)，這不是一個(gè)好習(xí)慣。如下例，如果大部分情況下bCache為"真"，則拖延xx的定義可以大大提高函數(shù)的效率。

效率不咼的做法咼效率做法voidFunction(boolbCache)voidFunction(boolbCache){{//函數(shù)體//函數(shù)體XXxx;if(bCache)if(bCache){//dosomethingwithoutxx{return;//dosomethingwithoutxx}return;}//對(duì)xx進(jìn)行操作XXxx;//對(duì)xx進(jìn)行操作return;return;}}3、可能情況下，以初始化代替先定義后賦值。如下例，高效率的做法會(huì)比效率不高的做法省去了cache變量的缺省構(gòu)造函數(shù)調(diào)用開(kāi)銷(xiāo)。

XXcache;XXcache=xx;cache=xx;}}4、在構(gòu)造函數(shù)中使用成員變量的初始化列表代替在構(gòu)造函數(shù)中賦值。如下例,在效率不高的做法中，XX的構(gòu)造函數(shù)會(huì)首先調(diào)用m_strNa