c++ - NVI 和去虚拟化

Question

如果您使用的是 NVI，编译器可以去虚拟化函数调用吗？

一个例子:

#include <iostream>

class widget
{
public:
    void foo() { bar(); }

private:
    virtual void bar() = 0;
};

class gadget final : public widget
{
private:
    void bar() override { std::cout << "gadget\n"; }
};

int main()
{
    gadget g;
    g.foo();    // HERE.
}

在标记的行中，编译器可以将对 bar 的调用去虚拟化吗？

Answer 1

鉴于 g 的动态类型恰好是 gadget，编译器可以在内联 后去虚拟化对 bar 的调用>foo，无论在 class gadget 声明中还是在 gadget::bar 声明中使用 final。我将分析这个不使用 iostreams 的类似程序，因为输出程序集更易于阅读:

class widget
{
public:
    void foo() { bar(); }

private:
    virtual void bar() = 0;
};

class gadget : public widget
{
    void bar() override { ++counter; }
public:
    int counter = 0;
};

int test1()
{
    gadget g;
    g.foo();
    return g.counter;
}

int test2()
{
    gadget g;
    g.foo();
    g.foo();
    return g.counter;
}

int test3()
{
    gadget g;
    g.foo();
    g.foo();
    g.foo();
    return g.counter;
}

int test4()
{
    gadget g;
    g.foo();
    g.foo();
    g.foo();
    g.foo();
    return g.counter;
}

int testloop(int n)
{
    gadget g;
    while(--n >= 0)
        g.foo();
    return g.counter;
}

我们可以通过检查输出程序集来确定去虚拟化是否成功:(GCC) , (clang) .两者都将 test 优化为等价于 return 1; - 调用被去虚拟化和内联，对象被消除。 Clang does the same for test2 through test4 - return 2;/3/4 分别 - 但 GCC seems to gradually lose track of the type information the more times it must perform the optimization .尽管成功地将 test1 优化为常量的返回值，但 test2 大致变为:

int test2() {
    gadget g;
    g.counter = 1;
    g.gadget::bar();
    return g.counter;
}

第一个调用已被去虚拟化并内联其效果 (g.counter = 1)，但第二个调用仅被去虚拟化。在 test3 中添加额外调用会导致:

int test3() {
    gadget g;
    g.counter = 1;
    g.gadget::bar();
    g.bar();
    return g.counter;
}

同样，第一个调用是完全内联的，第二个调用只是去虚拟化的，但第三个调用根本没有优化。这是来自虚拟表和间接函数调用的简单 Jane 加载。 test4 中的附加调用的结果相同:

int test4() {
    gadget g;
    g.counter = 1;
    g.gadget::bar();
    g.bar();
    g.bar();
    return g.counter;
}

值得注意的是，两个编译器都没有将 teSTLoop 的简单循环中的调用去虚拟化，它们都将其编译为等同于:

int testloop(int n) {
  gadget g;
  while(--n >= 0)
    g.bar();
  return g.counter;
}

甚至在每次迭代时从对象重新加载 vtable 指针。

将 final 标记添加到 class gadget 声明和 gadget::bar 定义中不会影响任一编译器生成的汇编输出(GCC) (clang) .

影响生成的程序集的是移除 NVI。这个程序:

class widget
{
public:
    virtual void bar() = 0;
};

class gadget : public widget
{
public:
    void bar() override { ++counter; }
    int counter = 0;
};

int test1()
{
    gadget g;
    g.bar();
    return g.counter;
}

int test2()
{
    gadget g;
    g.bar();
    g.bar();
    return g.counter;
}

int test3()
{
    gadget g;
    g.bar();
    g.bar();
    g.bar();
    return g.counter;
}

int test4()
{
    gadget g;
    g.bar();
    g.bar();
    g.bar();
    g.bar();
    return g.counter;
}

int testloop(int n)
{
    gadget g;
    while(--n >= 0)
        g.bar();
    return g.counter;
}

由两个编译器 ( GCC ) ( clang ) 完全优化为:

int test1()
{ return 1; }

int test2()
{ return 2; }

int test3()
{ return 3; }

int test4()
{ return 4; }

int testloop(int n)
{ return n >= 0 ? n : 0; }

总而言之，尽管编译器可以将对bar 的调用去虚拟化，但在存在 NVI 的情况下它们可能并不总是这样做。优化的应用在当前的编译器中是不完善的。