基础入门：C++的效率浅析

自从七十年代C语言诞生以来，一直以其灵活性、高效率和可移植性为软件开发人员所钟爱，成为系统软件开发的首选工具。而C++作为C语言的继承和发展，不仅保留了C语言的高度灵活、高效率和易于理解等诸多优点，还包含了几乎所有面向对象的特征，成为新一代软件系统构建的利器。

相对来说，C语言是一种简洁的语言，所涉及的概念和元素比较少，主要是：宏（macro）、指针（pointer）、结构（struct）、函数（function）和数组（array），比较容易掌握和理解。而C++不仅包含了上面所提到的元素，还提供了私有成员（private members）、公有成员（public members）、函数重载（function overloading）、缺省参数（default parameters）、构造函数、析构函数、对象的引用（references）、操作符重载（operator overloading）、友元（friends）、模板（templates）、异常处理（exceptions）等诸多的要素，给程序员提供了更大的设计空间，同时也增加了软件设计的难度。

C语言之所以能被广泛的应用，其高效率是一个不可忽略的原因，C语言的效率能达到汇编语言的80%以上，对于一种高级语言来说，C语言的高效率就不言而喻了。那么，C++相对于C来说，其效率如何呢？实际上，C++的设计者stroustrup要求C++效率必须至少维持在与C相差5%以内，所以，经过精心设计和实现的C++同样有很高的效率，但并非所有C++程序具有当然的高效率，由于C++的特殊性，一些不好的设计和实现习惯依然会对系统的效率造成较大的影响。同时，也由于有一部分程序员对C++的一些底层实现机制不够了解，就不能从原理上理解如何提高软件系统的效率。

本文主要讨论两个方面的问题：第一，对比C++的函数调用和C函数调用，解析C++的函数调用机制；第二，例举一些C++程序员不太注意的技术细节，解释如何提高C++的效率。为方便起见，本文的讨论以下面所描述的单一继承为例（多重继承有其特殊性，另作讨论）。

class X
{
public:
virtual ~X(); //析构函数
virtual void VirtualFunc(); //虚函数
inline int InlineFunc() { return m_iMember}; //内联函数
void NormalFunc(); //普通成员函数
static void StaticFunc(); //静态函数
private:
int m_iMember;

};

class XX: public X
{
public:
XX();
virtual ~XX();
virtual void VirtualFunc();
private:
String m_strName;
int m_iMember2;

};

C++的的函数分为四种：内联函数（inline member function）、静态成员函数（static member function）、虚函数（virtual member function）和普通成员函数。

内联函数类似于C语言中的宏定义函数调用，C++编译器将内联函数的函数体扩展在函数调用的位置，使内联函数看起来象函数，却不需要承受函数调用的开销，对于一些函数体比较简单的内联函数来说，可以大大提高内联函数的调用效率。但内联函数并非没有代价，如果内联函数体比较大，内联函数的扩展将大大增加目标文件和可运行文件的大小；另外，inline关键字对编译器只是一种提示，并非一个强制指令，也就是说，编译器可能会忽略某些inline关键字，如果被忽略，内联函数将被当作普通的函数调用，编译器一般会忽略一些复杂的内联函数，如函数体中有复杂语句，包括循环语句、递归调用等。所以，内联函数的函数体定义要简单，否则在效率上会得不偿失。

静态函数的调用，如下面的几种方式：

X obj; X* ptr = &obj;
obj.StaticFunc();
ptr->StaticFunc();
X::StaticFunc();

将被编译器转化为一般的C函数调用形式，如同这样：

mangled_name_of_X_StaticFunc();
//obj.StaticFunc();
mangled_name_of_X_StaticFunc();
// ptr->StaticFunc();
mangled_name_of_X_StaticFunc();
// X::StaticFunc();

mangled_name_of_X_StaticFunc（）是指编译器将X：：StaticFunc（）函数经过变形（mangled）后的内部名称（C++编译器保证每个函数将被mangled为独一无二的名称，不同的编译器有不同的算法，C++标准并没有规定统一的算法，所以mangled之后的名称也可能不同）。可以看出，静态函数的调用同普通的C函数调用有完全相同的效率，并没有额外的开销。

普通成员函数的调用，如下列方式：

X obj; X* ptr = &obj;
obj.NormalFunc();
ptr->NormalFunc();

将被被编译器转化为如下的C函数调用形式，如同这样。

mangled_name_of_X_NormalFunc(&obj);
//obj.NormalFunc();
mangled_name_of_X_NormalFunc(ptr);
// ptr->NormalFunc();

可以看出普通成员函数的调用同普通的C调用没有大的区别，效率与静态函数也相同。编译器将重新改写函数的定义，增加一个const X* this参数将调用对象的地址传送进函数。

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