c++ - 避免虚函数的标准方法

Question

我有一个库，里面有很多小对象，现在它们都有虚函数。它达到了这样一种程度，即指向虚函数表的指针的大小可以超过对象中有用数据的大小(它通常可以只是一个包含单个 float 的结构) .这些对象是稀疏图上数值模拟中的元素，因此不能轻易合并等。

我不太关心虚函数调用的成本，而是存储成本。正在发生的事情是指向虚函数表的指针基本上降低了缓存的效率。我想知道将类型 ID 存储为整数而不是虚拟函数是否会更好。

我不能使用静态多态性，因为我所有的对象都在一个列表中，我需要能够对项目执行操作，由索引选择(这是一个运行时值 - 因此没有办法静态确定类型)。

问题是:是否存在一种设计模式或通用算法，可以在给定类型列表(例如在类型列表中)和类型索引的情况下从接口(interface)动态调用函数？

接口(interface)已定义并且没有太大变化，但将来(可能技能较低的)库用户将声明新对象，这样做不需要很大的努力。性能是最重要的。可悲的是，没有 C++11。

到目前为止，我可能有一个愚蠢的概念证明:

typedef MakeTypelist(ClassA, ClassB, ClassC) TList; // list of types

enum {
    num_types = 3 // number of items in TList
};

std::vector<CommonBase*> uniform_list; // pointers to the objects
std::vector<int> type_id_list; // contains type ids in range [0, num_types)

template <class Op, class L>
class Resolver { // helper class to make a list of functions
    typedef typename L::Head T;

    // specialized call to op.Op::operator ()<T>(p)
    static void Specialize(CommonBase *p, Op op)
    {
        op(*(T*)p);
    }

    // add a new item to the list of the functions
    static void BuildList(void (**function_list)(CommonBase*, Op))
    {
        *function_list = &Specialize;
        Resolver<Op, typename L::Tail>::BuildList(function_list + 1);
    }
};

template <class Op>
class Resolver<Op, TypelistEnd> { // specialization for the end of the list
    static void BuildList(void (**function_list)(CommonBase*, Op))
    {}
};

/**
 * @param[in] i is index of item
 * @param[in] op is a STL-style function object with template operator ()
 */
template <class Op>
void Resolve(size_t i, Op op)
{
    void (*function_list[num_types])(CommonBase*, Op);
    Resolver<Op, TList>::BuildList(function_list);
    // fill the list of functions using the typelist

    (*function_list[type_id_list[i]])(uniform_list[i], op);
    // call the function
}

我还没有研究程序集，但我相信如果将其设为静态，函数指针数组的创建几乎可以免费完成。另一种选择是使用在类型列表上生成的二叉搜索树，这将启用内联。

Answer 1

我最终使用了我在问题中概述的“thunk 表”概念。对于每个操作，有一个 thunk 表的单个实例(它是静态的并通过模板共享 - 因此编译器将自动确保每个操作类型只有一个表实例，而不是每个调用)。因此我的对象没有任何虚函数。

最重要的是 - 使用简单的函数指针而不是虚函数所带来的速度增益可以忽略不计(但它也不慢)。实现决策树并静态链接所有函数可显着提高速度 - 这将一些计算强度不是很高的代码的运行时间提高了大约 40%。

一个有趣的副作用是能够拥有“虚拟”模板函数，这通常是不可能的。

我需要解决的一个问题是我的所有对象都需要有一些接口(interface)，因为它们最终会被仿函数以外的一些调用访问。我为此设计了一个独立的外观。 Facade 是一个虚拟类，声明对象的接口(interface)。分离外观是此虚拟类的实例，专用于给定类(对于列表中的所有类，operator [] 返回所选项目类型的分离外观)。

class CDetachedFacade_Base {
public:
    virtual void DoStuff(BaseType *pthis) = 0;
};

template <class ObjectType>
class CDetachedFacade : public CDetachedFacade_Base {
public:
    virtual void DoStuff(BaseType *pthis)
    {
        static_cast<ObjectType>(pthis)->DoStuff();
        // statically linked, CObjectType is a final type
    }
};

class CMakeFacade {
    BaseType *pthis;
    CDetachedFacade_Base *pfacade;

public:
    CMakeFacade(BaseType *p, CDetachedFacade_Base *f)
        :pthis(p), pfacade(f)
    {}

    inline void DoStuff()
    {
        f->DoStuff(pthis);
    }
};

要使用它，需要做:

static CDetachedFacade<CMyObject> facade;
// this is generated and stored in a templated table
// this needs to be separate to avoid having to call operator new all the time

CMyObject myobj;
myobj.DoStuff(); // statically linked

BaseType *obj = &myobj;
//obj->DoStuff(); // can't do, BaseType does not have virtual functions

CMakeFacade obj_facade(obj, &facade); // choose facade based on type id
obj_facade.DoStuff(); // calls CMyObject::DoStuff()

这允许我在代码的高性能部分使用优化的 thunk 表，并且仍然具有多态行为对象，以便能够在不需要性能的地方方便地处理它们。