c++ - 分离类所有权和使用，生成最佳(快速)代码

Question

总的来说，我的问题很简单，我想实现一些设计模式，它允许以下内容:

1. 存在一些预定义接口(interface)(Interface 类)；

2. 并存在类 ( Utilizer )，它接受另一个类(通过指针、引用、智能指针，等等...)实现预定义的接口(interface)，并通过接口(interface)使用此类；

3. 类 Utilizer应该能够拥有传递给它的其他类(实现 Interface )并在 Utilizer 时删除它被摧毁。

在托管语言(如 C#、Java)中，这可以通过简单的方式实现:class Utilizer可能接受对基类 ( Interface) 的引用并将此引用保存在类中，并通过引用使用接口(interface)。关于销毁 Utilizer类，垃圾收集器可能会删除实现“接口(interface)”的类。

在 C++ 中我们没有垃圾收集器...好吧，我们可以使用一些 smart_pointer，但这可能不是通用智能指针，而是某种特定类型的智能指针(例如，具有用户指定删除器的 unique_ptr，因为类，实现 Interface 驻留在共享内存中，常规运算符 delete() 不能应用于此类...)

第二个麻烦:虚函数。当然，当您使用托管语言时，您可能不会注意到这一点。但是如果你做了 Interface类作为抽象基类(使用 virtual 关键字)，那么你会注意到，在 test 中函数(见下面的代码)编译器执行间接调用(通过函数指针)。发生这种情况是因为编译器需要访问虚函数表。通过函数指针的调用不是很重(处理器滴答声很少，或者事件滴答声几十次)，但主要问题是编译器看不到接下来发生的事情，在间接之后。优化器在这里停止。函数不能再内联了。而且我们得到的不是最佳代码，它不会减少到很少的机器指令(例如 test 函数在示例中减少到加载两个常量并调用 printf 函数)，我们得到了非最佳的“通用”实现，这有效地抵消了 C++ 的所有优势。

有一个典型的解决方案可以避免获得不理想的代码——避免使用虚函数(更喜欢 CRTP 模式)，避免类型删除(在这个例子中，Utilizer 类可能存储的不是 Accessor，而是 std::function<Interface<T>&()> - - 这个解决方案很好，但是 std::function 中的间接寻址会再次导致生成非最佳代码)。

以及问题的本质，如何在 C++ 中有效地实现上述逻辑(拥有其他抽象的类，非某些特定的类并使用它)？

不确定我是否能够清楚地表达我的想法。以下是我的评论实现。它生成最佳代码(参见现场演示 live demo 中的 test 函数的反汇编)，所有代码都按预期内联。但是整个实现看起来很麻烦。

我想听听如何改进代码。

#include <utility>
#include <memory>
#include <functional>
#include <stdio.h>
#include <math.h>

// This type implements interface: later Utilizer class
// accept Accessor type, which was able to return reference
// to object of some type, which implements this interface,
// and Utilizer class uses returned object via this interface.
template <typename Impl> class Interface
{
public:
    int oper(int arg) { return static_cast<Impl*>(this)->oper(arg); }

    const char *name() const { return static_cast<const Impl*>(this)->name(); }
};

// Class which uses object, returned by Accessor class, via
// predefined interface of type Interface<Impl>.
// Utilizer class can perform operations on any class
// which inherited from Interface class, but Utilizer
// doesn't directly owns parficular instance of the 
// class implementing Interface: Accessor serves for
// getting of particular implementation of Interface
// from somewhere.
template <typename Accessor> class Utilizer
{
private:
    typedef typename std::remove_reference<decltype(std::declval<Accessor>()())>::type Impl;
    Accessor accessor;

    // This static_cast allows only such Accessor types, for
    // which operator() returns class inherited from Interface
    Interface<Impl>& get() const { return static_cast<Interface<Impl>&>(accessor()); }

public:
    template <typename...Args> Utilizer(Args&& ...args) : accessor(std::forward<Args>(args)...) {}

    // Following functions is the public interface of Utilizer class
    // (this interface have no relations with Interface class,
    // except of the fact, that implementation uses Interface class):

    double func(int a, int b)
    {
        if (a > 0) return sqrt(get().oper(a) + b);
        else return get().oper(b) * a;
    }

    const char *text() const
    {
        const char *result = get().name();
        if (result == nullptr) return "unknown";
        return result;
    }
};

// This is implementation of Interface<Impl> interface
// (program may have multiple similar classes and Utilizer
// can work with any of these classes).
struct Implementation : public Interface<Implementation>
{
    Implementation() { puts("Implementation()"); }

    Implementation(const Implementation&) { puts("copy Implementation"); }

    ~Implementation() { puts("~Implementation()"); }

    // Following functions are implementation of functions
    // defined in Interface<Impl>:

    int oper(int arg) { return arg + 42; }

    const char *name() const { return "implementation"; }
};

// This is class which owns some particular implementation
// of the class inherited from Interface. This class only
// owns the class which was given to it and allows accessing
// this class via operator(). This class is intendent to be
// template argument for Utilizer class.
template <typename SmartPointer> struct Owner
{
    SmartPointer p;
    Owner(Owner&& other) : p(std::move(other.p)) {}
    template <typename... Args> Owner(Args&&...args) : p(std::forward<Args>(args)...) {}
    Implementation& operator()() const { return *p; }
};

typedef std::unique_ptr<Implementation> PtrType;

typedef Utilizer<Owner<PtrType> > UtilType;


void test(UtilType& utilizer)
{
    printf("%f %s\n", utilizer.func(1, 2), utilizer.text());
}


int main()
{
    PtrType t(new Implementation);
    UtilType utilizer(std::move(t));
    test(utilizer);
    return 0;   
}

Answer 1

您的 CPU 比您想象的要聪明。现代 CPU 完全有能力猜测间接分支的目标并推测性地执行间接分支。 L1 高速缓存和寄存器重命名的速度通常会消除非内联调用的大部分或全部额外成本。 80/20 规则适用于黑桃:您的测试代码的瓶颈是 puts 完成的内部处理，而不是您试图避免的后期绑定(bind)。

要回答您的问题，您可以通过删除所有模板内容来改进您的代码:它会同样快速且更易于维护(因此进行实际优化更加实用)。算法和数据结构的优化通常应该预先完成；除非在分析性能分析结果之后，否则永远不要永远优化低级指令流。