现代编译器如何优化 C++ 中的函数对象？

Question

正如我从《Effective C++》一书中了解到的，如果我通过 Function Object 的值而不是 C++ 中的函数引用或函数指针传递一个 Function Object，它的性能会更好。那么现代编译器如何优化这种场景呢？

或者说通常我们不建议通过值传递我们自定义类的对象，但作为函数对象实际上与普通对象相同，只是实现了“operator()”在课堂上。那么，在通过值传递这两个东西时，编译器必须有一些不同的东西，对吧？

下面是一个比较函数对象和函数指针的例子。

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <ctime>
#include <iostream>

bool cmp(int a, int b) { return a < b; }

int main() {
    std::vector<int> v(10000000);
    for (size_t i = 0; i < 10000000; ++i)
        v.push_back(rand());
    std::vector<int> v2(v);
    std::sort(v.begin(), v.end(), std::less<int>()); // This way would be faster than below;
    std::sort(v2.begin(), v2.end(), cmp);
}

Answer 1

在函数指针的情况下，编译器很可能会传递函数指针并执行间接函数调用，而不是进行直接函数调用甚至内联。

相比之下，函数对象的operator()很可能是内联的，或者至少是直接调用的，因为它没有被传递，只有data给它传递（通过值或通过引用） ）。在没有数据的函数对象的情况下，你什么也不传递（这将编译为一个虚拟整数，甚至什么也不传递）。

尤其是std::function，在函数指针的情况下，从实现方面几乎没有办法避免双重间接函数调用。

lambda 是进行这种优化的最简单方法。这是您的示例，其中有一个字符差异：

#include <algorithm>
#include <vector>
#include <ctime>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v(10000000);
    for (size_t i = 0; i < 10000000; ++i)
        v.push_back(rand());
    std::vector<int> v2(v);
    std::sort(v.begin(), v.end(), [] (int a, int b) { return a < b; }); // This way would be faster than below;
    std::sort(v2.begin(), v2.end(), +[] (int a, int b) { return a < b; });
}

在这方面，现代编译器并没有比旧编译器走得更远。尽管您可以在不同的现代编译器上尝试您的示例来确定（您可以使用https://godbolt.org/ 并检查反汇编）

Answer 2

在 gcc 7.5 的情况下，std::sort 在内部使用 __gnu_cxx::__ops::_Iter_comp_iter 模板，如下所示：

template<typename _Compare>
struct _Iter_comp_iter
{
  _Compare _M_comp;
  explicit _GLIBCXX14_CONSTEXPR
  _Iter_comp_iter(_Compare __comp) : _M_comp(_GLIBCXX_MOVE(__comp)) { }

  template<typename _Iterator1, typename _Iterator2>
  _GLIBCXX14_CONSTEXPR bool
  operator()(_Iterator1 __it1, _Iterator2 __it2)
  { return bool(_M_comp(*__it1, *__it2)); }
}

在第一种情况下_Compare 是std::less<int>，在第二种情况下——bool (*)(int, int)。

在第一种情况下，gcc 内联比较，而在第二种情况下，它会生成类似 callq *%r13 的内容来调用存储在 _M_comp 中的指针。

更新：

在 cmets 提示的更多挖掘之后，事实证明问题不在于 _Compare 的类型——gcc 7.5 也可以用函数指针内联小的纯函数，即使没有 inline 修饰符——而是在std::sort 的内部工作中存在递归。这会使编译器关闭并生成间接调用。好消息是 gcc 8+ 似乎没有这个缺点。