可以内联std :: function还是应该使用其他方法？

Question

我正在使用std::function<>作为许多函数的参数的复杂框架。 通过分析，发现以下性能问题之一。

有人可以解释一下为什么Loop3a这么慢吗？ 我希望将使用内联并且时间将相同。 组装也一样。 有什么方法可以提高性能或以其他方式吗？ C ++ 17是否以这种方式进行任何更改？

#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 << "ms\n";

    start = Clock::now();
    b.impl();
    stop = Clock::now();
    std::cout << "B: " << std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(stop - start).count();
    std::cout << "ms\n";

    return a.sum == b.sum;
}

使用带有“ -O2 -std = c ++ 14”的g ++ 5.4的示例输出：

A: 1794ms
B: 906ms

在探查器中，我可以看到许多内部信息：

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

Answer 1

std::function 不是零运行时成本的抽象。 它是一种类型擦除的包装器，在调用operator()时具有类似virtual调用的成本，并且还可能潜在地进行堆分配（这可能意味着每个调用都存在缓存丢失） 。

编译器很可能无法内联它 。

如果要以不引起额外开销且允许编译器内联的方式存储函数对象 ，则应使用模板参数。 这并非总是可能的，但可能适合您的用例。

---

我写了一篇与此主题相关的文章：
“将功能传递给功能”

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

Answer 2

std::function大约具有虚拟调用开销。 这很小，但是如果您的操作更小，则可能会很大。

在您的情况下，您将大量遍历std::function ，并使用一组可预测的值对其进行调用，并且可能在其中执行几乎所有操作。

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需要一个double, double, double函数，并返回一个double, double, double, unsigned 。 此新函数反复调用上一个，每次都将最后一个坐标增加1。

然后，我们如下替换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);
        }
    }
}

在这里，我们通过重复调用我们的重复函数来替换“最低级别的循环”。

这将使虚拟呼叫开销减少300倍，基本上使虚拟呼叫消失。 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2倍，这会使贡献增加一倍，但是谁在计算十分之一的百分比？）

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

上面我们所做的是移动了一些控制fn在fn内部的调用的逻辑。 如果您能做到这一点，则可以消除虚拟呼叫开销。

std::function开销通常是可忽略的，除非您想以每秒数十亿次的数量来调用它，这就是我所说的“每像素”操作。 用“每条扫描线”（每行相邻像素）替换此类操作，开销就不再是问题。

这可能需要公开一些有关如何在标头中使用功能对象的逻辑。 根据我的经验，仔细选择公开的逻辑可以使其相对通用。

最后，请注意，可以内联std::function ，编译器会对此做得更好。 但这是困难而脆弱的。 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)};
}

现在我们编写循环程序：

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);
  }
};

这样就消除了3维循环的整个操作，而不仅仅是尾随的维。