编译时多态还是运行时多态

今天来研究一下编译时多态和运行时多态。
运行时的多态，比如C++用虚函数，或者比如有些语言支持委托。这样实际运行的代码是运行时决定的，这样必须要承担一定的开销：

1、间接调用。比如说虚表。
2、调用的函数编译期不能确定，所以不能展开。

这样性能上是有很大的损失的。如果这个调用出现在一个循环里，或者被其他地方频繁的调用，效率会有很大的差距。

其实有些时候，我们并不是真的需要真正的运行时多态，有时可能就是编译期的多态。

举例：

class ServerBase
{
public:
    virtual void Open() = 0;
    virtual ~ServerBase() {};
};

class FtpServer
{
public:
    virtual void Open()
    {
        //
    }
};

class HttpServer
{
public:
    virtual void Open()
    {
        //
    }
};

 

然后你的程序里使用起来是这样的：

ServerBase* pServer = new HttpServer();
pServer->Open();

这样你做了个HttpServer。如果这里就是个具体应用，没有要求你运行期间能替换协议，那么这个设计明显有额外的开销。让我们先做几个例子来看看调用一个函数的开销。

例子：

class CPolymorphismBase
{
public:
    void MemberFunction()
    {
        std::cout<<"MemberFunction Base";
    }

    virtual void VirtualFunction()
    {
        std::cout<<"VirtualFunction Base";
    }

    virtual ~CPolymorphismBase() {}
};

class CPolymorphismDerived : public CPolymorphismBase
{
public:
    void MemberFunction()
    {
        std::cout<<"MemberFunction Derived";
    }

    virtual void VirtualFunction()
    {
        std::cout<<"VirtualFunction Derived";
    }
};

首先我们来看看普通的成员函数的开销是怎么样的。

    CPolymorphismDerived derivedObject;
    CPolymorphismDerived* pDerivedObject = new CPolymorphismDerived();

    derivedObject.MemberFunction();
    pDerivedObject->MemberFunction();

运行一下，看到汇编内容如下：

    derivedObject.MemberFunction();
00401034  mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)] 
00401039  push        offset string "MemberFunction Derived" (40213Ch) 
0040103E  push        eax  
0040103F  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (401190h) 
    pDerivedObject->MemberFunction();
00401044  mov         ecx,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)] 
0040104A  push        offset string "MemberFunction Derived" (40213Ch) 
0040104F  push        ecx  
00401050  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (401190h) 

可以看到，函数不但没有虚表的开销，而且已经在这里展开了，编译器替我们完成了inline优化，这样的效率当然是最高的。

然后我们来看虚函数。

    CPolymorphismDerived derivedObject;
    CPolymorphismDerived* pDerivedObject = new CPolymorphismDerived();
    CPolymorphismBase* pDerivedObjectBasePoint = pDerivedObject;

    derivedObject.VirtualFunction();
    pDerivedObject->VirtualFunction();
    pDerivedObjectBasePoint->VirtualFunction();

运行一下，看到汇编内容如下：

    derivedObject.VirtualFunction();
0040103B  mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (40204Ch)] 
00401040  push        offset string "VirtualFunction Derived" (40213Ch) 
00401045  push        eax  
00401046  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (4011A0h) 
    pDerivedObject->VirtualFunction();
0040104B  mov         edx,dword ptr [esi] 
0040104D  mov         eax,dword ptr [edx] 
0040104F  add         esp,8 
00401052  mov         ecx,esi 
00401054  call        eax  
    pDerivedObjectBasePoint->VirtualFunction();
00401056  mov         edx,dword ptr [esi] 
00401058  mov         eax,dword ptr [edx] 
0040105A  mov         ecx,esi 
0040105C  call        eax  

栈上分配出来的那个对象，虽然是虚函数，但是编译期是确定的，所以没有虚表的开销，函数也成功展开了。
堆上new出来的那个对象，就不走运了。不管是基类指针还是派生类指针去操作，都有虚表的开销，同时函数也无法展开。

这是什么意思呢？就是说即时一开始的例子改成这样也一样性能很低下

//ServerBase* pServer = new HttpServer();    // 既然这样写性能低。。。
HttpServer* pServer = new HttpServer();      // 那我换成这样写吧！！！
pServer->Open();                             // but，即使不用基类指针操作，效率也是一样低。

我们来总结一下吧

性能栈上分配堆分配 + 父类指针堆分配 + 子类指针普通成员函数高高高虚函数高低低

下面切入正题。
要让用户使用起来性能得到保障，就只有用普通成员函数了。（你总不能强制用户必须使用栈对象吧？）

既然是普通成员函数，那也就没ServerBase什么事了。（既然不使用虚函数，那么一个基类的指针也就调用不到子类了，所以这里弄个基类没什么用了。）所以，代码修改如下了：

class FtpServer
{
public:
    void Open()
    {
        //
    }
};

class HttpServer
{
public:
    void Open()
    {
        //
    }
};

所以使用的时候就可以这么写了：

typedef HttpServer ServerBase;
typedef HttpServer Server;

ServerBase* pServer = new Server();
pServer->Open();
//

这样，就可以了，什么时候需要一个Ftp的版本了，就可以简单修改头两行代码，别的都不用改，这样就是一个FtpServer了：

typedef FtpServer ServerBase;
typedef FtpServer Server;

ServerBase* pServer = new Server();
pServer->Open();
//

这里也可以用模板：

template<class T>
class App
{
public:
    typedef T ServerBase;
    typedef T Server;

    static void main()
    {
        ServerBase* pServer = new Server();
        pServer->Open();
        //
    }
};

App<FtpServer>::main();        // 这就是Ftp的
//App<HttpServer>::main();     // 这就是Http的

这就是编译期的多态，都用普通成员函数，使用到多态对象的类可以使用模板来简化多态时的修改（都用模板，然后在外部整体一个typedef就可以把所有需要多态的类都提纯出来，一个修改就可以让全程序得到效果）。

当然，并不是到这就结束了。。。你的HttpServer和FtpServer都改好了。。。但是你的BOSS过来和你说：兄弟，新需求，需要允许运行时修改协议，允许热配置。然后你就发现：坏了，二了，咱已经改成编译期多态的了。。。

这该怎么办呢？怎么让你设计的类既能配置成编译期多态而且不损效率，又能配置成运行时多态呢？

这里可以用个Adapter来做。

template<class T>
class Server_Adapter : public ServerBase
{
public:
    Server_Adapter()
    {
    }

    virtual ~Server_Adapter()
    {
    }


    virtual void Open()
    {
        m_server.Open();
    }

private:
    T m_server;
};

这样就OK了。使用者如果需要编译期多态，就像上一个例子那么用就可以了，性能没问题；如果需要运行期多态，那就这么写：

typedef ServerBase ServerBaseObject;
typedef Server_Adapter<HttpServer> HttpServerObject;
typedef Server_Adapter<FtpServer>  FtpServerObject;

ServerBaseObject* pServer = NULL;
int nServerType = ; // 这里可以动态得到，从配置文件里头读啊什么的，反正都行，运行时随便改。
    
switch(nServerType)
{
case 0:
    {
        pServer = new HttpServerObject();
    }
    break;
case 1:
    {
        pServer = new FtpServerObject();
    }
    break;
default:
    //
    break;
}
pServer->Open();
//

这样就运行时多态了，一点毛病没有。和一开始的方案比，没有一丝性能损失。也许你要问了：这不是多包了一层么？调用Open的时候，要多一次函数调用呀？当然不会了。。。作为Adapter的T来说，编译期是确定的，所以内部的对象m_server作为一个栈对象，调用的函数是可以展开的。我们还是看一下具体的汇编代码：

    pServer->Open();
00401030  mov         eax,dword ptr [__imp_std::cout (402050h)] 
00401035  push        eax  
00401036  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (401190h) 
0040103B  pop         ecx  

可见，这里的代码展开了，您可以试验一下在HttpServer::Open和FtpServer::Open那里下个断点，就会发现根本断不下来，因为那里的代码已经展开在Server_Adapter<HttpServer>和Server_Adapter<FtpServer>里头了，根本没有间接调用的问题。

这样，一个兼顾效率和灵活性的完美类库产生了。