C++ 性能剖析 （四）：Inheritance 对性能的影响

（这个editor今天有毛病，把我的format全搞乱了，抱歉！）

Inheritance 是OOP 的一个重要特征。虽然业界有许多同行不喜欢inheritance,但是正确地使用inheritance是一个应用层面和架构层面的重要设计决定。 大量使用inheritance,尤其在类似std container 中使用，会对程序性能产生何等影响呢？

从我个人的经验来看，constructor对创建具有深层inheritance链的class,有很大的影响。 如果应用容许，最好使用没有constructor的基类。下面举个例子：

struct __declspec(novtable) ITest1

{ virtual void AddRef() = 0;

    virtual void Release() = 0;

    virtual void DoIt(int x) = 0; };

class CTest: public ITest1

{

int ref;

public: inline CTest() { ref = 0; }

inline void AddRef() { ++ref; }

inline void Release() {--ref; }

inline void DoIt(int x) {ref *= x; }

inline void AddRef2() { ++ref; }

inline void Release2() {--ref; }

inline void DoIt2(int x) {ref *= x; }

static void TestPerf(int loop); };

这是个dummy程序，然而在COM中确是再常见不过。如果我们要大量创建并使用CTest，有经验的程序员应该看出，ITest1 完全不需要constructor。 根据C++ 说明书,ITest1因为有虚拟函数，属于“非简单构造类”，编译必须产生一个constructor，其唯一的目的是设置ITest1的vtbl （虚拟函数表）。

然而interface的唯一作用是被继承，所以其vtbl一定是被其继承类设置。编译在这种情况下没必要生成constructor。 微软在设计ATL时认识到这一点，推出自己的方案来躲避C++官方SPEC的缺陷：VC++提供了novtable的class modifier,告诉编译：我不需要你的constructor. 然而我在VS 2010中的测试结果却令人失望：

ITest1的constructor 仍然被生成了，只是它没有将vtbl赋值而已，这对增进基类构造的性能实为杯水车薪之举。 下面我们看看这个“毫无用处的constructor”对性能的影响。 我们权且拿出另一个不需要虚拟函数的ITestPOD （POD的意思是“数据而已”）来做比较：

struct ITest1POD

{ inline void AddRef() { }

inline void Release() { }

inline void DoIt(int x) { } };

ITestPOD当然不能完全作interface用（interface必须用虚拟函数），仅仅为了测试。然后，我们设计一个继承类，和上面的CTest功能完全一样：

class CTestPOD: public ITest1POD

{

int ref;

public: inline CTestPOD() { ref = 0; }

inline void AddRef() { ++ref; }

inline void Release() {--ref; }

inline void DoIt(int x) {ref *= x; }

};

我们的目的是用这个CTestPOD来和CTest作一番苹果与苹果的比较：

void CTest::TestPerf(int loop)

{

clock_t begin = clock();

for(int i = 0; i < loop; ++i) //loop1

{

CTestPOD testPOD; // line1

testPOD.AddRef();

testPOD.DoIt(0);

testPOD.Release();

}

clock_t end = clock();

printf("POD time: %f \n",double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC);

begin = clock();

for(int i = 0; i < loop; ++i) //loop2

{

CTest test; // line2

test.AddRef2();

test.DoIt2(0);

test.Release2();

}

end = clock();

printf("Interface time: %f \n",double(end - begin) / CLOCKS_PER_SEC);

}

上面的loop1和loop2的唯一区别在line1和line2，为了避免用虚拟函数，我特意给CTest准备了AddRef2，DoIt2，Release2，三个同样的但却是非虚拟的函数，为的是遵循性能测试的一大原理：compare apple to apple。

我将loop设为10万，测试结果显示，loop2比loop1的速度低了20% 左右。从生成的代码来看，唯一的区别是CTest的constructor调用了编译自动生成的ITest1 的constructor。这个constructor没有任何作用，却白占了许多CPU周期。一个好的编译，应该是可以把这个constructor裁剪掉的，这个靠我们自己去搜索了。

总结

在应用inheritance时，除去基类里无用的constructor，对大量构造的object的性能来说，会有明显的影响。不幸的是，微软的__declspec(novtable) class modifier对解决这个问题没有提供任何帮助。在设计海量存储的object的应用中，我们应该尽量用POD来做其基类，避免上面CTest类那样明显的性能漏洞。

2014-9-3 西雅图