boost::mp11::mp_with_index 与 std::function 数组相比的性能答案

【问题标题】：Performance of boost::mp11::mp_with_index compared to array of std::functionboost::mp11::mp_with_index 与 std::function 数组相比的性能
【发布时间】：2021-12-27 11:14:10
【问题描述】：

考虑以下两个sn-ps：

// Option (1).
boost::mp11::mp_with_index<N>(i,
                              [&](const auto i){ function<i>(/* args... */); });

和

// Option (2).
inline static const std::array<std::function<void(/* Args... */)>, N>
    functionArray{function<0>, ..., function<N-1>};
functionArray[i](/* args... */);

其中N 是大约在[0, 20] 范围内的编译时间大小，i 是0 和N-1 之间的运行时索引，template <size_t I> function(/* Args... */) 是具有已知签名的模板函数. 这两个选项中哪一个是最快的？

注意：我知道boost::mp11::mp_with_index 基本上创建了一个 switch 语句，允许将运行时索引转换为编译时索引。这引入了一些间接性，但我希望这不会太昂贵。同样，我知道std::function 由于类型擦除而引入了一些间接性。我的问题是：这两种间接方式中哪一种最有效？

【问题讨论】：

了解的唯一方法是在实际代码中测量它。您的代码示例中的std::function 在哪里？
@Evg 感谢您指出，我刚刚编辑了我的问题！我想知道std::function 实现的那种间接性是否与boost::mp11::mp_with_index 提供的一样有效。对我来说，这看起来几乎不可能，因为std::function 不知道N，所以它不能创建一个带有签名void(/* Args... */) 的所有可能实现的编译时间表。有谁知道std::function 在后台是如何工作的？

标签： c++ boost callback benchmarking std-function

【解决方案1】：

std::array<std::function<void(Args...)>, N> 与纯指针数组std::array<void(*)(Args...), N> 相比可能会引入一些开销。

查看https://godbolt.org/z/a8z9aKs7P处生成的程序集，可以进行以下观察：

boost::mp11::mp_with_index 被编译为一个分支表，其中包含 N 个不同指令的 N 个地址，这些指令在跳转到时只需调用 function<I>。所以，它会在分支表中寻找一个地址，跳转到那个地址，然后再次跳转到想要的函数。

这个分支表可以通过简单地存储function<I>的地址来简化，只需要一次跳转。这是当你有一个函数指针数组时发生的事情，这个数组本质上是一个分支表。

std::function 类似，但调用std::function 比调用常规函数指针稍微复杂一些。

注意，clang 在 -O2 甚至 -O3 上优化这个很糟糕。 boost::mp11::mp_with_index<N> 实际上是一堆 if/else 语句，它们应该很容易编译，就好像它是 switch 一样，但是 clang 无法做到这一点（并且留下了 N “比较和条件跳转”指令）。函数指针数组是这里唯一的好选择。

【讨论】：

感谢您的精彩回答！换句话说，最有效的选择是函数指针数组！但是如果我感兴趣的函数是异构类的成员函数呢？在这种情况下，它们不能存储在函数指针中。在这种情况下，最好的选择是什么？
可以肯定地说，在异构类的成员函数的一般情况下（不能存储在函数指针中），那么最好的选择是将它们存储在std::function的数组中与 Boost 方法相比？为什么会这样？事实上，正如我在对主要问题的评论中指出的那样，std::function 与 Boost 方法相比使用的信息更少。
@fdev 您可以使用指向成员函数的指针，或者将它们包装在可以转换为成员函数的 lambda 中。 Boost 方法生成的代码略少（std::function 的静态初始化程序和sizeof(std::function<void(Args...)> == 32 有代码，因此实际存储数组需要空间，而mp_with_index 只生成一对跳转），但可能会有类似的对 std::function 数组的性能，您必须进行基准测试以确保。