分离类所有权和使用，生成最佳(快速)代码

Question

总的来说，我的问题很简单，我想引入一些设计模式，它允许以下内容：

1. 存在一些预定义的接口(Interface类(;

2. 并且存在类(Utilizer(，它接受另一个类(通过指针，引用，智能指针，其他任何...(实现预定义的接口，并通过接口使用此类进行星号;

3. 类Utilizer应该能够拥有传递给它的其他类(实现Interface(，并在Utilizer被销毁时将其删除。

在托管语言(如C#，Java(中，这可以通过简单的方式实现：类Utilizer可以接受对基类(Interface(的引用并将此引用保存在类中，并通过引用使用接口。销毁Utilizer类时，垃圾回收器可能会删除实现"接口"的类。

C++我们没有垃圾收集器...好的，我们可以使用一些smart_pointer，但这可能不是通用的智能指针，而是某种特定类型的智能指针(例如，使用用户指定的 deleter unique_ptr，因为实现Interface的类驻留在共享内存中，常规运算符 delete(( 不能应用于这个类......

第二个麻烦：虚拟功能。当然，当您使用托管语言时，您可能不会注意到这一点。但是，如果您将类Interface抽象基类(带有 virtual 关键字(，那么您会注意到，在test函数(请参阅下面的代码(中，编译器执行间接调用(通过函数指针(。发生这种情况是因为编译器需要访问虚函数表。通过函数指针进行的调用不是很重(很少的处理器时钟周期，或事件数十个时钟周期(，但主要问题是编译器看不到在间接之后接下来发生的情况。优化器到此为止。函数不能再内联了。而且我们得到的不是最优代码，这不会减少到很少的机器指令(例如test函数在示例中减少到加载两个常量并调用printf函数(，我们得到了非最优的"泛型"实现，这有效地抵消了C++的所有好处。

有一个典型的解决方案可以避免获取非最佳代码 - 避免使用虚函数(更喜欢CRTP模式(，避免类型擦除(在示例中，Utilizer类可能存储的不是Accessor，而是std::function<Interface<T>&()>- 这个解决方案很好，但是std：：function中的间接导致再次生成非最佳代码(。

问题的本质是如何有效地实现上述逻辑(拥有其他抽象的、非某些特定的类并使用它的类(C++？

不知道我是否能够清楚地表达我的想法。以下是我的带有注释的实现。它生成最佳代码(请参阅现场演示中test函数的反汇编(，所有内容都按预期内联。但是整个实现看起来很麻烦。

我想听听如何改进代码。

#include <utility>
#include <memory>
#include <functional>
#include <stdio.h>
#include <math.h>
// This type implements interface: later Utilizer class
// accept Accessor type, which was able to return reference
// to object of some type, which implements this interface,
// and Utilizer class uses returned object via this interface.
template <typename Impl> class Interface
{
public:
int oper(int arg) { return static_cast<Impl*>(this)->oper(arg); }
const char *name() const { return static_cast<const Impl*>(this)->name(); }
};
// Class which uses object, returned by Accessor class, via
// predefined interface of type Interface<Impl>.
// Utilizer class can perform operations on any class
// which inherited from Interface class, but Utilizer
// doesn't directly owns parficular instance of the 
// class implementing Interface: Accessor serves for
// getting of particular implementation of Interface
// from somewhere.
template <typename Accessor> class Utilizer
{
private:
typedef typename std::remove_reference<decltype(std::declval<Accessor>()())>::type Impl;
Accessor accessor;
// This static_cast allows only such Accessor types, for
// which operator() returns class inherited from Interface
Interface<Impl>& get() const { return static_cast<Interface<Impl>&>(accessor()); }
public:
template <typename...Args> Utilizer(Args&& ...args) : accessor(std::forward<Args>(args)...) {}
// Following functions is the public interface of Utilizer class
// (this interface have no relations with Interface class,
// except of the fact, that implementation uses Interface class):
double func(int a, int b)
{
if (a > 0) return sqrt(get().oper(a) + b);
else return get().oper(b) * a;
}
const char *text() const
{
const char *result = get().name();
if (result == nullptr) return "unknown";
return result;
}
};
// This is implementation of Interface<Impl> interface
// (program may have multiple similar classes and Utilizer
// can work with any of these classes).
struct Implementation : public Interface<Implementation>
{
Implementation() { puts("Implementation()"); }
Implementation(const Implementation&) { puts("copy Implementation"); }
~Implementation() { puts("~Implementation()"); }
// Following functions are implementation of functions
// defined in Interface<Impl>:
int oper(int arg) { return arg + 42; }
const char *name() const { return "implementation"; }
};
// This is class which owns some particular implementation
// of the class inherited from Interface. This class only
// owns the class which was given to it and allows accessing
// this class via operator(). This class is intendent to be
// template argument for Utilizer class.
template <typename SmartPointer> struct Owner
{
SmartPointer p;
Owner(Owner&& other) : p(std::move(other.p)) {}
template <typename... Args> Owner(Args&&...args) : p(std::forward<Args>(args)...) {}
Implementation& operator()() const { return *p; }
};
typedef std::unique_ptr<Implementation> PtrType;
typedef Utilizer<Owner<PtrType> > UtilType;

void test(UtilType& utilizer)
{
printf("%f %sn", utilizer.func(1, 2), utilizer.text());
}

int main()
{
PtrType t(new Implementation);
UtilType utilizer(std::move(t));
test(utilizer);
return 0;   
}

Answer 1

您的 CPU 比您想象的更智能。现代 CPU 绝对能够猜测间接分支的目标，并通过间接分支推测执行。L1 缓存的速度和寄存器重命名通常会消除非内联调用的大部分或全部额外成本。80/20 规则适用：测试代码的瓶颈是puts完成的内部处理，而不是您试图避免的后期绑定。

为了回答你的问题，你可以通过删除所有模板的东西来改进你的代码：它会同样快，更易于维护(因此进行实际优化更实用(。算法和数据结构的优化通常应该提前完成;除非分析分析结果，否则永远不应该对低级指令流进行优化。