C++ 抽象的成本速查表

这一篇是 ch06 的参考卡:把前面几篇测过的 C++ 抽象成本汇总成一张速查表,再补三个前面没单独立篇的小条目(变量存储类型、位域、enum class)。写代码时遇到「这个抽象贵不贵」可以这里查。

前面测过的:成本速查表

抽象	主要成本	实测数字(本机)	何时在意
虚函数(via 指针)	查 vtable + 间接跳转 + 阻碍内联	0.55 ns,2.5× 于 CRTP	热点虚调用且未被去虚化时
去虚拟化	编译器能证类型时常免费	直接对象 0.23 ns ≈ CRTP	多数情况编译器替你做了
异常(正常路径)	表驱动零成本	0.25 ns(和纯函数一样)	几乎不用在意
异常(抛出路径)	EH 表查 + 栈展开	857 ns,~3400×	异常路径别进热循环
std::function 调用	类型擦除间接调用	1.61 ns,6× 于直接 lambda	每帧百万次调用时
std::function 构造	小走 SBO、大堆分配	SBO 2.3 ns / 堆 19.6 ns(8.5×)	热路径反复构造 + 大捕获
RVO/NRVO	返回值直接在调用方构造	0 次拷贝、0 次移动	return 局部变量别写 std::move
return std::move(局部)	禁用 NRVO,强制 move	0 拷贝 + 1 move(多一次)	反模式,别写

这张表是 ch06-01/02/03/05 的实测汇总,具体机制和实验见各篇。总命题(Carruth No Zero-Cost Abstractions):每个 C++ 抽象都对应一个硬件成本,但「有成本」不等于「每次都发生」,编译器常替你消除(去虚化、零成本异常、RVO)。先测,再决定要不要手写绕开。

补充条目

1. 变量存储类型:register / static / thread_local

变量的存储类型影响它在哪、访问多快(Agner 卷1 §7.1):

• 自动变量(栈):默认。访问最快(在 L1 命中的栈上),编译器还能放进寄存器。register 关键字在现代编译器已无意义(编译器自己分配寄存器),是 C++17 起的 deprecated/removed 关键字,别用。
• 静态变量(static/全局):固定地址,有固定初始化(常量初始化零开销;动态初始化有启动成本)。多线程下静态局部变量的初始化是线程安全的(magic statics),但有线程安全初始化的运行时开销(首次进入时的原子检查)。
• thread_local:每线程一份。访问稍贵(要查 TLS 的线程局部存储区,通常几条额外指令),但在多线程下避免共享。对「每线程的上下文对象」有用。

实战:热路径变量尽量是自动变量(让编译器放寄存器);static 全局常量免费;thread_local 用于 per-thread 上下文(它的初始化与销毁成本要算进线程生命周期)。

2. 位域 bitfields

**位域(bitfield)**把多个小字段压进一个整数里,省空间:

struct Flags { unsigned a : 1; unsigned b : 1; unsigned c : 6; };  // 共 8 bit

好处:sizeof 小(紧凑),cache 友好。代价是位运算:读写位域成员是「读整字节 + 位掩码 + 位操作」,比读写普通 int 多几条指令。所以位域省内存、费指令。适合「有大量标志位、内存是瓶颈」(协议头、标志集合);不适合「单个字段被高频读写、算力是瓶颈」。Agner 卷1 §7.27 有详细权衡。

3. enum class:零开销

enum class(C++11 强类型枚举)是「带类型安全」的枚举,且零开销:底层就是一个 int(或你指定的 underlying type),访问和普通 int 一样快,类型安全是编译期的,运行时零成本。所以:

• 优先用 enum class 而非裸 int 常量(类型安全、可读性,免费)。
• 别担心它的性能,和 int 一样。
• 指定 underlying type(enum class Color : uint8_t)能控制 sizeof,省空间。

这是「零开销抽象」真正成立的少数案例之一(Carruth 命题的例外:不是所有抽象都有成本,enum class/optional 正常路径接近零成本)。

sizeof 速查(本机实测,libstdc++ C++20)

sizeof:
  int                              = 4
  std::optional<int>               = 8   (int 4B + 有无值标记 + padding)
  std::variant<int,double>         = 16  (double 8B + index + padding)
  std::variant<int,char,double,str>= 40  (string 32B + index + padding)
  std::span<int>                   = 16  (指针 + 长度,零所有权)
  std::string_view                 = 16  (指针 + 长度,不保证 \0)
  std::shared_ptr<int>             = 16  (2 指针:对象 + 控制块)
  std::unique_ptr<int>             = 8   (1 指针)
  std::string                      = 32  (含 SSO 缓冲)
  std::vector<int>                 = 24  (3 指针)

读法:optional/variant 多出来的字节是「有无值」标记和 index;span/string_view 是「指针+长度」的轻量视图(零所有权,几乎免费);string 32 字节里有 SSO 小缓冲(SSO 机制归 vol3)。

怎么用这张表:写代码时优先选零开销或近零开销的抽象(enum class、span/string_view、optional/variant 正常路径),它们让代码更安全且几乎不费性能;真正要关注的是虚函数调用(via 指针,未被去虚化)、std::function 反复构造 + 大捕获、异常进热循环这几个,真有成本、常需要手动优化;永远测了再优化,「听起来贵」的抽象可能编译器早消除了,「听起来免费」的(std::function 构造)可能正埋着堆分配。

下一篇是 ch06 最后一篇,讲 RVO/NRVO 与 move。它不是「抽象成本」,而是「值语义下返回大对象」的机制,常被误解。

参考资源

• Agner Fog《Optimizing software in C++》§7 *Variables / objects / containers》(变量存储类型、位域、enum)。本地
• Carruth There Are No Zero-Cost Abstractions(CppCon 2019)——「没有零开销抽象」命题
• ch06-01/02/03/05(本卷,各成本的实测出处)
• 本篇 sizeof 程序:code/volumn_codes/vol6-performance/ch06/abstraction_sizeof.cpp