C++实现自定义删除器（Deleter）的性能优化：减少控制块开销与函数调用

C++自定义删除器（Deleter）的性能优化：减少控制块开销与函数调用

大家好！今天我们来深入探讨C++中自定义删除器（Deleter）的性能优化，重点关注如何减少控制块开销和函数调用次数。智能指针是C++中管理动态分配内存的重要工具，而自定义删除器则赋予了智能指针更大的灵活性，允许我们控制资源释放的具体方式。然而，不当的使用自定义删除器可能会引入额外的性能开销，因此我们需要仔细分析和优化。

1. 智能指针与删除器基础

首先，简单回顾一下智能指针和删除器的基本概念。C++标准库提供了几种智能指针，包括 std::unique_ptr、std::shared_ptr 和 std::weak_ptr。我们主要关注 std::unique_ptr 和 std::shared_ptr，因为它们直接涉及所有权管理和资源释放。

• std::unique_ptr: 提供独占所有权，即同一时刻只能有一个 unique_ptr 指向某个资源。当 unique_ptr 被销毁或赋值为 nullptr 时，它会自动调用删除器释放所管理的资源。

• std::shared_ptr: 提供共享所有权，允许多个 shared_ptr 指向同一资源。它使用引用计数来跟踪指向资源的 shared_ptr 的数量。当引用计数降为零时，最后一个 shared_ptr 会调用删除器释放资源。

删除器（Deleter）是一个可调用对象（函数、函数对象、lambda 表达式等），它负责释放智能指针所管理的资源。默认情况下，智能指针使用 delete 运算符释放资源，但我们可以通过自定义删除器来覆盖这一行为，例如释放通过 new[] 分配的数组，或者释放由第三方库分配的资源。

2. 性能考量：控制块与函数调用

自定义删除器的性能瓶颈主要体现在两个方面：

• 控制块开销 (Control Block Overhead): std::shared_ptr 需要维护一个控制块来存储引用计数、弱引用计数和删除器。控制块通常在堆上分配，这本身就引入了额外的内存分配和释放开销。对于简单的删除器，例如 delete[]，将删除器存储在控制块中可能显得不必要。

• 函数调用开销 (Function Call Overhead): 当智能指针需要释放资源时，它会调用删除器。如果删除器是一个复杂的函数对象或 lambda 表达式，函数调用本身也会带来一定的性能开销，尤其是当释放操作非常频繁时。

3. 优化策略一：类型擦除与SBO（Small Buffer Optimization）

std::shared_ptr 使用类型擦除技术来存储删除器，这意味着删除器的类型信息在运行时是未知的。这允许我们使用各种不同类型的删除器，但同时也导致了控制块的开销。为了缓解这个问题，C++17 引入了 SBO (Small Buffer Optimization)，也称为 空基类优化 (Empty Base Optimization)。

SBO 允许 std::shared_ptr 将删除器直接存储在 shared_ptr 对象本身，而不是控制块中。这只有在删除器类型足够小（通常是指空类或不包含任何成员的类）或者可以利用空基类优化时才有效。

示例：使用空函数对象作为删除器

#include <iostream>
#include <memory>

struct ArrayDeleter {
    void operator()(int* ptr) const {
        std::cout << "ArrayDeleter calledn";
        delete[] ptr;
    }
};

int main() {
    std::shared_ptr<int> ptr(new int[10], ArrayDeleter()); // 使用函数对象
    return 0;
}

在这个例子中，ArrayDeleter 是一个空的函数对象。编译器可以利用空基类优化，将 ArrayDeleter 存储在 shared_ptr 对象本身，从而避免了控制块中存储删除器的开销。

SBO 优势：

• 减少控制块大小，节省内存。
• 减少一次内存分配，提高性能。

SBO 限制：

• 只适用于小型删除器，通常是空类或不包含任何成员的类。
• 编译器不保证一定会进行 SBO。
• 需要编译器支持 C++17 及以上标准。

表格：SBO 优化效果

删除器类型	是否需要控制块存储删除器	内存分配次数
默认 delete	否	1
大型函数对象/Lambda	是	2
小型函数对象 (SBO)	否	1

4. 优化策略二：std::unique_ptr 与静态删除器

对于只需要独占所有权的情况，std::unique_ptr 通常比 std::shared_ptr 更高效，因为它不需要维护引用计数和控制块。更重要的是，std::unique_ptr 的删除器类型是模板参数的一部分，这意味着编译器可以在编译时知道删除器的类型，从而可以进行更多的优化。

示例：使用 std::unique_ptr 和 lambda 表达式

#include <iostream>
#include <memory>

int main() {
    std::unique_ptr<int[], void(*)(int*)> ptr(new int[10], [](int* p){
        std::cout << "Lambda deleter calledn";
        delete[] p;
    }); // 使用 lambda 表达式
    return 0;
}

在这个例子中，我们使用了 std::unique_ptr 和一个 lambda 表达式作为删除器。由于 unique_ptr 的删除器类型是模板参数，编译器可以内联 lambda 表达式的调用，从而避免了函数调用开销。

使用函数指针作为删除器

#include <iostream>
#include <memory>

void array_delete(int* p) {
    std::cout << "Function pointer deleter calledn";
    delete[] p;
}

int main() {
    std::unique_ptr<int[], void(*)(int*)> ptr(new int[10], array_delete);
    return 0;
}

这里我们使用了函数指针作为删除器，和lambda表达式类似，编译器可以在编译时知道函数的地址，也可以进行内联或者其他优化。

std::unique_ptr 优势：

• 不需要控制块，节省内存。
• 删除器类型在编译时已知，可以进行更多的优化（例如内联）。
• 避免了引用计数开销。

std::unique_ptr 限制：

• 只能提供独占所有权，不能共享资源。

5. 优化策略三：避免不必要的删除器

在某些情况下，我们可以完全避免使用自定义删除器。例如，如果资源是由一个 RAII (Resource Acquisition Is Initialization) 类管理的，那么该类的析构函数会自动释放资源，我们就不需要使用自定义删除器。

示例：使用 RAII 类管理文件句柄

#include <iostream>
#include <fstream>

class FileHandle {
public:
    FileHandle(const std::string& filename) : file_(filename) {
        if (!file_.is_open()) {
            throw std::runtime_error("Failed to open file");
        }
    }

    ~FileHandle() {
        if (file_.is_open()) {
            file_.close();
            std::cout << "File closed in destructorn";
        }
    }

    std::fstream& get() { return file_; }

private:
    std::fstream file_;
};

int main() {
    FileHandle file("test.txt");
    file.get() << "Hello, world!";
    // 文件句柄在 FileHandle 对象销毁时自动关闭
    return 0;
}

在这个例子中，FileHandle 类在构造函数中打开文件，在析构函数中关闭文件。我们不需要使用智能指针和自定义删除器来管理文件句柄，因为 RAII 类已经保证了资源的正确释放。

6. 优化策略四：自定义分配器（Allocator）

虽然本文主要关注删除器，但分配器也与资源管理密切相关。自定义分配器允许我们控制内存的分配和释放方式，从而可以优化内存的使用和性能。例如，我们可以使用自定义分配器来从一个预先分配的内存池中分配内存，避免频繁的堆分配和释放。

自定义分配器可以与智能指针结合使用，例如，我们可以使用自定义分配器来分配 std::shared_ptr 的控制块。

示例：使用自定义分配器分配 std::shared_ptr 的控制块

#include <iostream>
#include <memory>
#include <vector>

// 自定义分配器
template <typename T>
class MyAllocator {
public:
    using value_type = T;

    MyAllocator() = default;

    template <typename U>
    MyAllocator(const MyAllocator<U>&) {}

    T* allocate(std::size_t n) {
        T* ptr = static_cast<T*>(std::malloc(n * sizeof(T)));
        if (ptr == nullptr) {
            throw std::bad_alloc();
        }
        std::cout << "Allocated " << n * sizeof(T) << " bytesn";
        return ptr;
    }

    void deallocate(T* ptr, std::size_t n) {
        std::cout << "Deallocated " << n * sizeof(T) << " bytesn";
        std::free(ptr);
    }
};

template <typename T, typename U>
bool operator==(const MyAllocator<T>&, const MyAllocator<U>&) {
    return true;
}

template <typename T, typename U>
bool operator!=(const MyAllocator<T>&, const MyAllocator<U>&) {
    return false;
}

int main() {
    // 使用自定义分配器创建 shared_ptr
    std::shared_ptr<int> ptr(new int(42), std::default_delete<int>(), MyAllocator<int>());
    return 0;
}

7. 总结和选择策略

我们已经讨论了多种优化自定义删除器的方法。选择哪种策略取决于具体的应用场景和性能需求。

不同策略的适用场景：

策略	适用场景	优点	缺点
SBO	删除器类型较小，例如空函数对象或不包含任何成员的类。	减少控制块大小，节省内存，减少一次内存分配。	只适用于小型删除器，编译器不保证一定会进行 SBO，需要编译器支持 C++17 及以上标准。
std::unique_ptr	只需要独占所有权，不需要共享资源。	不需要控制块，节省内存，删除器类型在编译时已知，可以进行更多的优化，避免了引用计数开销。	只能提供独占所有权，不能共享资源。
避免自定义删除器	资源由 RAII 类管理，不需要手动释放。	简化代码，避免额外的删除器开销。	需要确保 RAII 类的正确实现。
自定义分配器	需要控制内存的分配和释放方式，例如从内存池中分配内存。	优化内存的使用和性能，避免频繁的堆分配和释放。	实现自定义分配器可能比较复杂。

总而言之，在选择自定义删除器的优化策略时，应该综合考虑资源的所有权模型、删除器的复杂度和性能需求。

8. 性能测试与基准测试

理论分析很重要，但最终的性能优化效果还需要通过实际的性能测试和基准测试来验证。可以使用各种性能分析工具（例如 perf、valgrind）来测量不同删除器实现的性能，并选择最优的方案。

9. 未来展望

C++ 标准委员会正在不断改进智能指针和删除器的性能。未来的 C++ 标准可能会引入更多的优化策略，例如更智能的 SBO 实现，或者更高效的引用计数机制。

10. 关于删除器类型选择的一些额外建议

选择正确的删除器类型对代码的可维护性和性能至关重要。以下是一些更具体的建议：

• 函数对象:

  • 优点：可以封装状态，例如文件句柄或数据库连接。
  • 缺点：可能导致控制块开销，除非编译器进行 SBO。
  • 适用场景：需要封装状态的复杂删除逻辑。

• Lambda 表达式:

  • 优点：简洁，易于理解，可以捕获上下文变量。
  • 缺点：可能导致控制块开销，除非 lambda 表达式足够简单，可以被编译器内联。
  • 适用场景：简单的、不需要封装状态的删除逻辑。

• 函数指针:

  • 优点：没有状态，可以避免控制块开销。
  • 缺点：不能捕获上下文变量，适用范围有限。
  • 适用场景：简单的、不需要封装状态的删除逻辑，例如 delete[]。

• std::default_delete:

  • 优点：简单，高效，适用于使用 new 分配的单个对象。
  • 缺点：只能释放单个对象，不能释放数组或其他资源。
  • 适用场景：释放使用 new 分配的单个对象。

11. 结论

自定义删除器是C++智能指针中一个强大的特性，但同时也需要仔细考虑其性能影响。通过理解控制块开销和函数调用开销，并结合 SBO、std::unique_ptr、避免不必要的删除器以及自定义分配器等优化策略，我们可以显著提升智能指针的性能，并编写出更高效、更可靠的 C++ 代码。希望今天的分享对大家有所帮助！记住，性能优化是一个持续的过程，需要不断学习和实践。

最后，选择合适的删除器以及智能指针类型至关重要，根据实际情况进行权衡，才能在性能和代码可维护性之间找到最佳平衡点。

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