C++多态性能代价：虚函数表 vs std::variant vs Concepts【运行时开销分析】

虚函数调用开销在于vptr与vtable两级间接寻址、vptr内存占用、无法内联及分支预测失败；std::variant避免虚表但需tag检查，误用会导致冗余比较与代码膨胀；Concepts仅编译期约束，不解决运行时多态性能问题。

虚函数调用的实际开销在哪

虚函数不是“慢”，而是引入了两级间接寻址：先通过 this 指针拿到对象头里的 vptr，再用该指针查 vtable 中对应函数的地址，最后跳转执行。现代 CPU 的分支预测器对规律性虚调用（如循环中统一类型）能较好优化，但跨类型频繁切换时容易 mispredict，导致流水线冲刷。

关键点：

• vptr 占用每个对象 8 字节（64 位系统），继承链越深、虚基类越多，对象体积膨胀越明显
• 编译器无法内联虚函数（除非 devirtualization 成功，但需 LTO + 全局可见定义，且不适用于动态加载的插件）
• 调试模式下无优化时，虚调用比普通函数慢 3–5 倍；O2 下差距缩至 1.2–1.8 倍（取决于是否命中缓存、是否触发预测失败）

std::variant 替代虚函数时的性能陷阱

std::variant 是值语义的标签联合体，运行时不依赖虚表，但每次访问都需 std::visit 或 std::get_if 进行 tag 检查和分支跳转。它快在无指针间接、无 vptr 开销，慢在缺乏编译期单态性保证。

常见误用：

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• 用 std::visit([](auto&& x) { ... }, v) 写泛型 lambda —— 看似简洁，实则强制为每个分支生成独立实例，代码体积暴涨，且无法复用已有函数对象
• 在 tight loop 中反复 std::get_if(&v) 而非一次 std::visit 处理全部逻辑，造成冗余 tag 比较
• 忽略 std::variant 的构造/赋值开销：内部需 placement-new + 析构调度，比 raw struct 拷贝重

std::variant v = 42;
// ✅ 推荐：一次 visit 完成所有处理
std::visit([](const auto& x) {
    using T = std::decay_t;
    if constexpr (std::is_same_v) {
        // 编译期分发，无运行时分支
    } else if constexpr (std::is_same_v) {
        // ...
    }
}, v);
// ❌ 避免：重复 tag 检查
if (auto p = std::get_if(&v)) { / ... / }
else if (auto p = std::get_if(&v)) { / ... / }

Concepts 不解决运行时多态性能问题

Concepts 是编译期约束机制，用于限定模板参数必须满足的接口要求。它本身不生成任何运行时代码，也不影响二进制大小或执行路径 —— 它只让错误提前到编译阶段，并支持更精确的重载决议。

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典型混淆：

• 以为写 template requires Drawable 就能替代虚函数 —— 实际上这只是泛型编程，生成的是多个独立函数实例，与多态无关
• 试图用 Concepts 强制“统一接口”却仍靠运行时类型判断（比如把 std::variant 传给 concept-constrained 函数）—— concepts 对 variant 本身不做约束，只能约束其成员类型
• 忽略 SFINAE/Concepts 导致的编译时间上升：约束越复杂，实例化检查越耗时，尤其在 header-only 库中明显

怎么选：看控制流模式而非抽象层级

性能差异最终取决于你如何组织控制流。虚函数适合“一个接口、多种实现、类型在运行时动态混合”的场景；std::variant 更适合“有限几种类型、操作集中在一处、类型在逻辑上可枚举”的情形。

决策 checklist：

• 是否需要堆分配 + 多态销毁？→ 必须用虚析构，std::variant 不适用
• 类型集合是否固定且数量 ≤ 10？→ std::variant 通常更优（cache 局部性好，无指针跳转）
• 是否存在跨 shared library 边界的多态扩展？→ 只能用虚函数，std::variant 类型必须在编译期完全可见
• 热点路径中是否反复调用同一虚函数（如渲染循环中的 draw()）？→ 查看 perf report 中 call 指令的 cycles 和 branch-misses，若 mispredict > 15%，考虑 monomorphization 或 arena 分配+类型分离

最常被忽略的一点：虚函数表本身不慢，慢的是你没让编译器知道“这里其实只有一种类型”。哪怕只是临时加个 [[likely]] 或局部 static_cast，有时比换方案更有效。