可以内联 std::函数还是应该使用不同的方法?

Can be std::function inlined or should I use different approach?

本文关键字：方法 std 函数      更新时间：2023-10-16

我正在研究一个复杂的框架，它使用std::function<>作为许多函数的参数。通过分析，我发现了以下性能问题之一。

有人可以解释为什么 Loop3a 这么慢吗？我预计会使用内联，时间会是一样的。程序集也是如此。有什么方法可以提高性能或不同的方法吗？C++17 会以这种方式做出任何改变吗？

#include <iostream>
#include <functional>
#include <chrono>
#include <cmath>
static const unsigned N = 300;
struct Loop3a
{
void impl()
{
sum = 0.0;
for (unsigned i = 1; i <= N; ++i) {
for (unsigned j = 1; j <= N; ++j) {
for (unsigned k = 1; k <= N; ++k) {
sum +=  fn(i, j, k);
}
}
}
}
std::function<double(double, double, double)> fn = [](double a, double b, double c) {
const auto subFn = [](double x, double y) { return x / (y+1); };
return sin(a) + log(subFn(b, c));
};
double sum;
};

struct Loop3b
{
void impl()
{
sum = 0.0;
for (unsigned i = 1; i <= N; ++i) {
for (unsigned j = 1; j <= N; ++j) {
for (unsigned k = 1; k <= N; ++k) {
sum += sin((double)i) + log((double)j / (k+1));
}
}
}
}
double sum;
};

int main()
{
using Clock = std::chrono::high_resolution_clock;
using TimePoint = std::chrono::time_point<Clock>;
TimePoint start, stop;
Loop3a a;
Loop3b b;
start = Clock::now();
a.impl();
stop = Clock::now();
std::cout << "A: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(stop - start).count();
std::cout << "msn";
start = Clock::now();
b.impl();
stop = Clock::now();
std::cout << "B: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(stop - start).count();
std::cout << "msn";
return a.sum == b.sum;
}

使用 g++5.4 和 "-O2 -std=c++14" 的示例输出：

A: 1794ms
B: 906ms

在探查器中，我可以看到许多内部结构：

double&& std::forward<double>(std::remove_reference<double>::type&)
std::_Function_handler<double (double, double, double), Loop3a::fn::{lambda(double, double, double)#1}>::_M_invoke(std::_Any_data const&, double, double, double)
Loop3a::fn::{lambda(double, double, double)#1}* const& std::_Any_data::_M_access<Loop3a::fn::{lambda(double, double, double)#1}*>() const

std::function不是零运行时成本的抽象。它是一个类型擦除的包装器，在调用operator()时具有类似virtual调用的成本，并且还可能进行堆分配(这可能意味着每次调用的缓存未命中)。

编译器很可能无法内联它。

如果要以不引入额外开销并允许编译器内联的方式存储函数对象，则应使用模板参数。这并不总是可行的，但可能适合您的用例。

我写了一篇与该主题相关的文章：">
将函数传递给函数">

它包含一些基准，显示与模板参数和其他解决方案相比，为std::function生成了多少程序集。

std::function有一个大致的虚拟呼叫开销。 这很小，但如果您的操作更小，它可能会很大。

在你的例子中，你正在大量循环std::function，用一组可预测的值调用它，并且可能在其中几乎什么都不做。

我们可以解决这个问题。

template<class F>
std::function<double(double, double, double, unsigned)>
repeated_sum( F&& f ) {
return
[f=std::forward<F>(f)]
(double a, double b, double c, unsigned count)
{
double sum = 0.0;
for (unsigned i = 0; i < count; ++i)
sum += f(a,b,c+i);
return sum;
};
}

然后

std::function<double(double, double, double, unsigned)> fn =
repeated_sum
(
[](double a, double b, double c) {
const auto subFn = [](double x, double y) { return x / (y+1); };
return sin(a) + log(subFn(b, c));
}
);

现在repeating_function采用一个double, double, double函数并返回一个double, double, double, unsigned。 这个新函数重复调用前一个函数，每次最后一个坐标增加 1。

然后，我们按如下方式替换impl：

void impl()
{
sum = 0.0;
for (unsigned i = 1; i <= N; ++i) {
for (unsigned j = 1; j <= N; ++j) {
fn(i,j,0,N);
}
}
}

我们用对重复函数的单个调用替换"最低级别的循环"。

这将使虚拟呼叫开销减少 300 倍，这基本上使其消失。 基本上，50% 的时间/300 = 0.15% 的时间(实际上是 0.3%，因为我们将时间减少了 2 倍，使贡献翻了一番，但谁在计算十分之一的百分比？

现在在实际情况中，您可能不会使用 300 个相邻值来调用它。 但通常有一些模式。

我们上面所做的是移动一些控制fn如何在fn中调用的逻辑。 如果可以做到这一点，则可以从考虑中消除虚拟呼叫开销。

std::function开销大多可以忽略，除非您想以每秒数十亿次的速度调用它，我称之为"每像素"操作。 将此类操作替换为"每扫描行"(每行相邻像素)，开销就不再是一个问题。

这可能需要公开一些关于如何在"标头"中使用函数对象的逻辑。 根据我的经验，仔细选择您公开的逻辑可以使它相对通用。

最后，请注意，可以内联std::function并且编译器越来越擅长。 但它是艰难的，也是脆弱的。 在这一点上依靠它是不明智的。

还有另一种方法。

template<class F>
struct looper_t {
F fn;
double operator()( unsigned a, unsigned b, unsigned c ) const {
double sum = 0;
for (unsigned i = 0; i < a; ++i)
for (unsigned j = 0; j < b; ++j)
for (unsigned k = 0; k < c; ++k)
sum += fn(i,j,k);
return sum;
}
};
template<class F>
looper_t<F> looper( F f ) {
return {std::move(f)};
}

现在我们编写我们的 looper：

struct Loop3c {
std::function<double(unsigned, unsigned, unsigned)> fn = looper(
[](double a, double b, double c) {
const auto subFn = [](double x, double y) { return x / (y+1); };
return sin(a) + log(subFn(b, c));
}
);
double sum = 0;
void impl() {
sum=fn(N,N,N);
}
};

它删除了三维循环的整个操作，而不仅仅是尾随维度。

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