包含库的运行时性能成本是多少？ [复制]

Question

在包含整个库（可能包含数百个函数）和仅使用单个函数之间是否存在任何运行时性能差异：

#include<foo>

int main(int argc, char *argv[]) {
    bar();//from library foo
    return 0;
}

以及将库中的相关代码片段直接粘贴到代码中，例如：

void bar() {
...
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    bar();//defined just above
    return 0;
}

什么会阻止我在 C 文件的开头盲目地包含所有我最喜欢（和最常用）的库？这个流行的线程C/C++: Detecting superfluous #includes? 表明编译时间会增加。但是编译后的二进制文件会有什么不同吗？第二个程序实际上会胜过第一个程序吗？

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相关：what does #include <stdio.h> really do in a c program

编辑：这里的问题与相关的Will there be a performance hit on including unused header files in C/C++? 问题不同，因为这里包含一个 single 文件。我在这里询问是否包含单个文件与将实际使用的代码片段复制粘贴到源代码中是否有任何不同。我稍微调整了标题以反映这种差异。

Answer 1

就最终程序而言，没有性能差异。链接器只会链接实际用于您的程序的函数。库中未使用的函数将不会被链接。

如果你包含很多库，编译程序可能需要更长的时间。

不应包含所有“最喜欢的库”的主要原因是程序设计。您的文件不应包含除了它正在使用的资源之外的任何内容，以减少文件之间的依赖关系。您的文件对程序其余部分的了解越少越好。它应该尽可能自主。

Answer 2

这不是一个简单的问题，因此不值得一个简单的答案。在确定哪种性能更高时，您可能需要考虑许多事项。

1. 您的编译器和链接器：不同的编译器将以不同的方式进行优化。这是很容易被忽视的，并且在进行概括时可能会导致一些问题。在大多数情况下，现代编译器和链接器将优化二进制文件，使其仅包含 100% 执行所需的内容。但是，并非所有编译器都会优化您的二进制文件。
2. 动态链接：使用其他库时有两种类型的链接。它们的行为方式相似，但根本不同。当您链接到动态库时，该库将与程序保持分离，并且仅在运行时执行。动态库通常被称为共享库，因此应该被视为被多个二进制文件使用。因为这些库通常是共享的，所以链接器不会从库中删除任何功能，因为链接器不知道该系统或操作系统中的所有二进制文件都需要该库的哪些部分。因此，与动态库链接的二进制文件对性能的影响很小，尤其是在启动程序之后。这种性能影响将随着动态链接的数量而增加。

3. 静态链接：当您将二进制文件链接到静态库（使用优化链接器）时，链接器将“知道”您需要从该特定库中获得哪些功能，并将删除不需要的功能在生成的二进制文件中使用。正因为如此，二进制文件将变得更高效，因此性能更高。然而，这确实是有代价的。

   例如

   假设您有一个操作系统，该操作系统在整个系统的大量二进制文件中广泛使用了一个库。如果您将该库构建为共享库，则所有二进制文件都将共享该库，同时可能使用不同的功能。现在假设您将每个二进制文件与库静态链接。您最终会得到二进制功能的大量重复，因为每个二进制文件都会从该库中获得所需功能的副本。

结论：值得注意的是，在问什么会使我的程序性能更高的问题之前，您可能应该问自己在您的情况下什么性能更高。您的程序是否打算占用您的大部分 CPU 时间，可能会使用静态链接库。如果您的程序只是偶尔运行，可能会使用动态链接库来减少磁盘使用量。还值得注意的是，与静态链接的二进制文件相比，使用基于标头的库只会为您提供非常边际（如果有的话）性能增益，并且会大大增加您的编译时间。

Answer 3

这在很大程度上取决于库和它们的结构，并且可能取决于编译器的实现。

链接器 (ld) 只会从代码引用的库中汇编代码，因此如果您在库中有两个函数 a 和 b，但只有对 a 的引用，那么函数b 可能根本不在最终代码中。

头文件（包括），如果它们只包含声明，并且如果声明不会导致对库的引用，那么您应该不会看到仅输入您需要的部分（根据您的示例）和包括整个头文件。

从历史上看，链接器 ld 会按文件提取代码，因此，当创建库时，每个函数 a 和 b 都位于不同的文件中，根本不会产生任何影响。

但是，如果库没有仔细构建，或者编译器实现确实从库中提取了每一位代码（无论是否需要），那么您可能会对性能产生影响，因为您的代码会更大并且可能更难放入 CPU 缓存中，并且 CPU 执行管道有时不得不等待从主内存而不是从缓存中获取指令。

Answer 4

这在很大程度上取决于相关库。

他们可能会初始化全局状态，这会减慢程序的启动和/或关闭速度。或者他们可能会启动与您的代码并行执行某些操作的线程。如果您有多个线程，这也可能会影响性能。

一些库甚至可能修改现有的库函数。可能是为了收集有关内存或线程使用情况的统计信息，或者出于安全审计目的。