C++語言的效率淺析

自從七十年代C語言誕生以來，一直以其靈活性、高效率和可移植性為軟件開發(fā)人員所鐘愛，成為系統(tǒng)軟件開發(fā)的首選工具。而C++作為C語言的繼承和發(fā)展，不僅保留了C語言的高度靈活、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?，成為新一代軟件系統(tǒng)構(gòu)建的利器。相對來說，C語言是一種簡潔的語言，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，同時也增加了軟件設(shè)計(jì)的難度。C語言之所以能被廣泛的應(yīng)用，其高效率是一個不可忽略的原因，C語言的效率能達(dá)到匯編語言的80%以上，對于一種高級語言來說，C語言的高效率就不言而喻了。那么，C++相對于C來說，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%以內(nèi)，所以，經(jīng)過精心設(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)慣依然會對系統(tǒng)的效率造成較大的影響。同時，也由于有一部分程序員對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。本文主要討論兩個方面的問題：第一，對比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，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)類似于C語言中的宏定義函數(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)看起來象函數(shù)，卻不需要承受函數(shù)調(diào)用的開銷,對于一些函數(shù)體比較簡單的內(nèi)聯(lián)函數(shù)來說，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)并非沒有代價，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?。涣硗?，inline關(guān)鍵字對編譯器只是一種提示，并非一個強(qiáng)制指令，也就是說，編譯器可能會忽略某些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)雜語句，包括循環(huán)語句、遞歸調(diào)用等。所以，內(nèi)聯(lián)函數(shù)的函數(shù)體定義要簡單，否則在效率上會得不償失。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)過變形(mangled)后的內(nèi)部名稱(C++編譯器保證每個函數(shù)將被mangled為獨(dú)一無二的名稱，不同的編譯器有不同的算法，C++標(biāo)準(zhǔn)并沒有規(guī)定統(tǒng)一的算法，所以mangled之后的名稱也可能不同)?？梢钥闯觯o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，并沒有額外的開銷。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。編譯器將重新改寫函數(shù)的定義，增加一個constX*this參數(shù)將調(diào)用對象的地址傳送進(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)行時刻綁定，編譯器需要在每個對象上增加一個字段也就是vptr以指向類的虛函數(shù)表vtbl，如類X的對象模型如下圖所示（本文中對此不多做解釋，若想進(jìn)一步了解，可以參考其它材料）。虛函數(shù)的多態(tài)性只能通過對象指針或?qū)ο蟮囊谜{(diào)用來實(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在類虛函數(shù)表的第2個槽位?？梢钥闯?，虛函數(shù)的調(diào)用相當(dāng)于一個C的函數(shù)指針調(diào)用，其效率也并未降低。由以上的四個例子可以看出，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義的正確性，C++編譯器會在程序員所編寫的程序基礎(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，就可能寫出效率不高的程序。對于一些繼承層次很深的派生類或在成員變量中包含了很多其它類對象(如XX中的m_strName變量)的類來說，對象的創(chuàng)建和銷毀的開銷是相當(dāng)大的，比如XX類的缺省構(gòu)造函數(shù)，即使程序員沒有定義任何語句，編譯器依然會給其構(gòu)造函數(shù)擴(kuò)充以下代碼來保證對象語義的正確性：XX::XX(){//編譯器擴(kuò)充代碼所要做的工作1、 調(diào)用父類X的缺省構(gòu)造函數(shù)2、 設(shè)定vptr指向XX類虛函數(shù)表3、 調(diào)用String類的缺省構(gòu)造函數(shù)構(gòu)造m_strName}；所以為了提高效率，減少不必要的臨時對象的產(chǎn)生、拖延暫時不必要的對象定義、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。以下舉例說明：1、減少臨時對象的生成。如以傳送對象引用的方式代替?zhèn)髦捣绞絹矶x函數(shù)的參數(shù)，如下例所示，傳值方式將導(dǎo)致一個XX臨時對象的產(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、拖延暫時不必要的對象定義。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++中對象創(chuàng)建的開銷，這不是一個好習(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xx進(jìn)行操作XXxx;//對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)用開銷。

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)會首先調(diào)用m_strNa