***编译时多态还是运行时多态

    技术2022-05-20  46

         运行时的多态,比如C++用虚函数,或者比如有些语言支持委托。这样实际运行的代码是运行时决定的,这样必须要承担一定的开销:

    1、间接调用。比如说虚表。2、调用的函数编译期不能确定,所以不能展开。

    这样性能上是有很大的损失的。如果这个调用出现在一个循环里,或者被其他地方频繁的调用,效率会有很大的差距。

    其实有些时候,我们并不是真的需要真正的运行时多态,有时可能就是编译期的多态。

    举例:

     class  ServerBase   { public :       virtual   void  Open()  =   0 ;     virtual   ~ServerBase() {} ;  } ;  class  FtpServer   { public :       virtual   void  Open()        {          //       }  } ;  class  HttpServer   { public :       virtual   void  Open()        {          //       }  } ; 然后你的程序里使用起来是这样的:

     ServerBase *  pServer  =   new  HttpServer(); pServer->Open() ; 这样你做了个HttpServer。如果这里就是个具体应用,没有要求你运行期间能替换协议,那么这个设计明显有额外的开销。让我们先做几个例子来看看调用一个函数的开销。

    例子:

     class  CPolymorphismBase   { public :      void  MemberFunction()        {         std::cout << " MemberFunction Base " ;     }        virtual   void  VirtualFunction()        {         std::cout << " VirtualFunction Base " ;     }      virtual  ~ CPolymorphismBase() {}  } ;  class  CPolymorphismDerived :  public  CPolymorphismBase   { public :      void  MemberFunction()        {         std::cout << " MemberFunction Derived " ;     }        virtual   void  VirtualFunction()        {         std::cout << " VirtualFunction Derived " ;     }  } ;

    首先我们来看看普通的成员函数的开销是怎么样的。

         CPolymorphismDerived derivedObject;     CPolymorphismDerived *  pDerivedObject  =   new  CPolymorphismDerived();      derivedObject.MemberFunction();     pDerivedObject -> MemberFunction();

    运行一下,看到汇编内容如下:

         derivedObject.MemberFunction(); 00401034   mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)]  00401039   push        offset  string   " MemberFunction Derived "  (40213Ch)  0040103E  push        eax   0040103F  call        std:: operator <<< std::char_traits < char >   >  (401190h)      pDerivedObject -> MemberFunction(); 00401044   mov         ecx,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)]  0040104A  push        offset  string   " MemberFunction Derived "  (40213Ch)  0040104F  push        ecx   00401050   call        std:: operator <<< std::char_traits < char >   >  (401190h) 

    可以看到,函数不但没有虚表的开销,而且已经在这里展开了,编译器替我们完成了inline优化,这样的效率当然是最高的。

    然后我们来看虚函数。

         CPolymorphismDerived derivedObject;     CPolymorphismDerived *  pDerivedObject  =   new  CPolymorphismDerived();     CPolymorphismBase *  pDerivedObjectBasePoint  =  pDerivedObject;      derivedObject.VirtualFunction();     pDerivedObject -> VirtualFunction();     pDerivedObjectBasePoint -> VirtualFunction();

    运行一下,看到汇编内容如下:

         derivedObject.VirtualFunction(); 0040103B  mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)]  00401040   push        offset  string   " VirtualFunction Derived "  (40213Ch)  00401045   push        eax   00401046   call        std:: operator <<< std::char_traits < char >   >  (4011A0h)      pDerivedObject -> VirtualFunction(); 0040104B  mov         edx,dword ptr [esi]  0040104D  mov         eax,dword ptr [edx]  0040104F  add         esp, 8   00401052   mov         ecx,esi  00401054   call        eax       pDerivedObjectBasePoint -> VirtualFunction(); 00401056   mov         edx,dword ptr [esi]  00401058   mov         eax,dword ptr [edx]  0040105A  mov         ecx,esi  0040105C  call        eax  

    栈上分配出来的那个对象,虽然是虚函数,但是编译期是确定的,所以没有虚表的开销,函数也成功展开了。堆上new出来的那个对象,就不走运了。不管是基类指针还是派生类指针去操作,都有虚表的开销,同时函数也无法展开。

    这是什么意思呢?就是说即时一开始的例子改成这样也一样性能很低下

     // ServerBase* pServer = new HttpServer();     //  既然这样写性能低。。。  HttpServer *  pServer  =   new  HttpServer();       //  那我换成这样写吧!!! pServer->Open() ;                             //  but,即使不用基类指针操作,效率也是一样低。

    我们来总结一下吧

    性能 栈上分配 堆分配 + 父类指针 堆分配 + 子类指针 普通成员函数 高 高 高 虚函数 高 低 低

    下面切入正题。要让用户使用起来性能得到保障,就只有用普通成员函数了。(你总不能强制用户必须使用栈对象吧?)

    既然是普通成员函数,那也就没ServerBase什么事了。(既然不使用虚函数,那么一个基类的指针也就调用不到子类了,所以这里弄个基类没什么用了。)所以,代码修改如下了:

     class  FtpServer   { public :       void  Open()        {          //       }  } ;  class  HttpServer   { public :       void  Open()        {          //       }  } ;

    所以使用的时候就可以这么写了:

     typedef  HttpServer ServerBase; typedef  HttpServer Server;  ServerBase *  pServer  =   new  Server(); pServer->Open(); // 

    这样,就可以了,什么时候需要一个Ftp的版本了,就可以简单修改头两行代码,别的都不用改,这样就是一个FtpServer了:

     typedef  FtpServer ServerBase; typedef  FtpServer Server;  ServerBase *  pServer  =   new  Server(); pServer -> Open(); // 

    这里也可以用模板:

     template < class  T >  class  App   { public :     typedef T ServerBase;     typedef T Server;      static void  main()        {         ServerBase *  pServer  =   new  Server();         pServer->Open() ;         //      }  } ;

    App<FtpServer>::main();        //  这就是Ftp的 //App<HttpServer>::main();     //  这就是Http的

    这就是编译期的多态,都用普通成员函数,使用到多态对象的类可以使用模板来简化多态时的修改(都用模板,然后在外部整体一个typedef就可以把所有需要多态的类都提纯出来,一个修改就可以让全程序得到效果)。

    当然,并不是到这就结束了。。。你的HttpServer和FtpServer都改好了。。。但是你的BOSS过来和你说:兄弟,新需求,需要允许运行时修改协议,允许热配置。然后你就发现:坏了,二了,咱已经改成编译期多态的了。。。

    这该怎么办呢?怎么让你设计的类既能配置成编译期多态而且不损效率,又能配置成运行时多态呢?

    这里可以用个Adapter来做。

     template < class  T >  class  Server_Adapter :  public  ServerBase   { public :     Server_Adapter()        {     }        virtual   ~ Server_Adapter()        {     }         virtual   void  Open()        {         m_server.Open();     }   private :     T m_server; } ;

    这样就OK了。使用者如果需要编译期多态,就像上一个例子那么用就可以了,性能没问题;如果需要运行期多态,那就这么写:

     typedef ServerBase ServerBaseObject; typedef Server_Adapter < HttpServer >  HttpServerObject; typedef Server_Adapter < FtpServer >   FtpServerObject;  ServerBaseObject *  pServer  =  NULL; int  nServerType  =   ;  //  这里可以动态得到,从配置文件里头读啊什么的,反正都行,运行时随便改。       switch (nServerType)   { case   0 :        {         pServer  =   new  HttpServerObject();     }       break ; case   1 :        {         pServer  =   new  FtpServerObject();     }       break ; default :      //        break ; }  pServer -> Open(); // 

    这样就运行时多态了,一点毛病没有。和一开始的方案比,没有一丝性能损失。也许你要问了:这不是多包了一层么?调用Open的时候,要多一次函数调用呀?当然不会了。。。作为Adapter的T来说,编译期是确定的,所以内部的对象m_server作为一个栈对象,调用的函数是可以展开的。我们还是看一下具体的汇编代码:

         pServer-> Open();  00401030   mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (402050h)]  00401035   push        eax   00401036   call        std:: operator <<< std::char_traits < char >   >  (401190h)  0040103B  pop         ecx  

    可见,这里的代码展开了,您可以试验一下在HttpServer::Open和FtpServer::Open那里下个断点,就会发现根本断不下来,因为那里的代码已经展开在Server_Adapter<HttpServer>和 Server_Adapter<FtpServer>里头了,根本没有间接调用的问题。

    这样,一个兼顾效率和灵活性的完美类库产生了。


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