🌱C++虚函数调用与C条件判断的性能对比

什么是解引用

int *p = &a;
int x = *p; // 通过p的指针访问p的值，是解引用

解引用本质上是一次内存访问操作，在现代处理器上通常需要1-3个时钟周期。 实际上解引用的性能开销可能受：缓存命中情况、连续解引用的累积延迟、编译器优化等影响。

虚函数调用为何会有解引用开销

因为C++通过虚函数表vtable来实现动态多态，而虚函数调用本质上就是通过该对象的虚函数表指针vptr找到虚函数表，再通过表中的偏移量找到正确的函数地址并进行调用。这个过程必然包含一次对vptr的解引用。

通常虚函数调用中的解引用(vptr -> vtable)效率稳定，因为vtable地址在编译器确定，且vptr一般在对象创建时初始化，容易被缓存。

一般来说解引用操作不会是性能瓶颈，除非在极端性能敏感的场景中才需要针对性优化。

如果使用基于条件判断实现的多态（比如C语言只能这样实现多态）性能会更高吗

问题的答案是：通常不会更高，甚至可能更低，但在某些特定场景下有可能更高。 这个问题需要仔细权衡，比较推荐的方式是以实际的性能测试结果为准。 如果是使用C++，默认的虚函数解决方案通常是最优解；如果是C，因为没有虚函数，只能用条件判断来实现。

下面是一些影响因素：

1. 避免间接调用

虚函数调用是一种间接函数调用，CPU无法直接指导要跳转到那里执行。这种间接性会干扰CPU的分支预测，预测失败会导致严重的流水线清空和性能损失。而一系列的 if-else 或 switch 语句是条件分支，现代CPU的分支预测器足够聪明，对模式简单、可预测的分支的预测准确率极高。

2. 更好的指令缓存局部性

编译器可以将 switch 语句和所有分支的处理函数在内存中紧密地排列在一起，当代码执行时，这些指令很可能已经被加载到高速缓存中，缓存命中率很高。 而虚函数的代码分散在程序内存的不同地方，缓存命中率相对较低。

3. 内联优化的可能性

这是最大的潜在优势。在C++中，虚函数几乎不可能被内联，因为调用点在在编译器是未知的。而在C风格的 switch 语句中，如果某个分支的处理非常简单，编译器完全有可能将该分支的处理代码直接 inline 到 switch 语句处，从而完全消除调用开销。

4. 时间复杂度

虚函数调用的时间是O(1)，因为它只是两次指针解引用（一次对vptr，一次对函数地址）。 而一个 if-else 链在最话的情况下是 O(n)，需要依次检查每个条件直到匹配。 虽然一个大的 switch 语句可能会被编译器优化成 跳转表（和跳表不是一个东西），其性能也是 O(1)，但编译器优化并不总是有效的。

5. 维护与可拓展

每次添加一个新的类型，都需要手动找到并修改所有相关的 switch 语句，很容易出错。 而虚函数是自动管理的。

6. 数据缓存不友好

C风格的做法通常需要将一个类型标签（如type）和对象数据放在一起，CPU在读取类型标签后进行分支判断，然后才能处理对象数据。 而虚函数调用的第一部就是通过vptr访问内存，CPU可以更早地发起加载该内存数据的请求。