考察：関数ポインタとコンテナと設計思想

C/C++で実装を行うときに、「関数ポインタを介した関数の呼び出しは遅い」という論が有るようです。

実際のところ、コンパイルされて吐き出されたアセンブラを読めば、(小規模な関数ならば)呼び出し元のコードにインライン展開される通常の呼び出しより、関数ポインタのほうが呼び出しが遅くなるのは自明と言えるかもしれません。

ただ実際のところ個人的にはこれは誤差として無視してしまっていいものだと思っています。

※そもそも命令語数個の違いを意識しなければならないほど時間的精度を求められる分野ってなんだ…？

むしろ個人的には、if文やswitch文を使用した条件分岐と同等の呼び出し速度が得られるのであれば、動的に呼び順を組み替えることのできるジャンプテーブルの方が実装としては優れていると思っています。

そこで今回はジャンプテーブルを様々なコンテナを用いて実装して、どの程度差が出るものか比較してみました。

ベンチマーク処理の内容

まずは結論から

実行時間 direct: 14053 μsec
実行時間 switch: 30705 μsec
実行時間 array:  45480 μsec
実行時間 vector: 30409 μsec
実行時間 list:  103001 μsec
実行時間 map:  977474 μsec

結局のところ実装方針を決定づけるのは、C/C++においては処理の可読性なのかなと、最近は考えています。

それは前項までの実験の結果からわかるとおり、処理時間に関して言えばSTLコンテナやアルゴリズムを適切に使用できれば、それほど躍起になって実装アルゴリズム高速化する意味はあまりありません。

むしろそういう切り口で考えれば、この実験結果としては低速なmapアルゴリズムも、可読性を確保しながらコマンド通信解析処理のシーケンスを組めたり、データベースアクセスを明快に組めたりと、利用する利点は多くあります。

もし実装するシステム全体を高速化したいのであれば、実際にはこうしたアルゴリズム選定よりもディスクアクセスやインターフェースの通信速度のほうがボトルネックとなってくるので、そういう重い動作をいかに少なく抑えてメモリ上で処理をするのか、といった部分に主眼をおいて考えることこそ重要だと言えるでしょう。

最後に

ソースコードはこちら

#include < iostream >
#include < string >
#include < algorithm >
#include < array >
#include < vector >
#include < list >
#include < map >
#include < chrono >

using namespace std;
using CALLBACK = void (*)();

int g_trush;
void test1(){ g_trush = 1; }
void test2(){ g_trush = 2; }
void test3(){ g_trush = 3; }
void test4(){ g_trush = 4; }
void test5(){ g_trush = 5; }
void test6(){ g_trush = 6; }
void test7(){ g_trush = 7; }
void test8(){ g_trush = 8; }
void test9(){ g_trush = 9; }
void test0(){ g_trush = 0; }

void refarence()
{
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        g_trush = j;
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 direct:\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}

void by_switch()
{
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        {
            switch (j)
            {
            case 0:
                test0();
                break;
            case 1:
                test1();
                break;
            case 2:
                test2();
                break;
            case 3:
                test3();
                break;
            case 4:
                test4();
                break;
            case 5:
                test5();
                break;
            case 6:
                test6();
                break;
            case 7:
                test7();
                break;
            case 8:
                test8();
                break;
            case 9:
                test9();
                break;
            default:
                break;
            };
        }
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 switch:\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}

void by_array()
{
    array callback_array = {
        test0, test1, test2, test3, test4, 
        test5, test6, test7, test8, test9
    };
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        {
            callback_array[j]();
        }
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 array:\t\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}

void by_vector()
{
    vector callback_vector{
        test0, test1, test2, test3, test4, 
        test5, test6, test7, test8, test9
    };
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        {
            callback_vector[j]();
        }
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 vector:\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}

void by_list()
{
    list callback_list{
        test0, test1, test2, test3, test4, 
        test5, test6, test7, test8, test9
    };
    auto it = callback_list.begin();
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        {
            (*it)();
            ++it;
        }
        it = callback_list.begin();
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 list:\t\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}

void by_map()
{
    map callback_map{
        {0, test0}, {1, test1}, {2, test2}, {3, test3}, {4, test4}, 
        {5, test5}, {6, test6}, {7, test7}, {8, test8}, {9, test9}
    };
    double execute_time;
    chrono::system_clock::time_point  start, end;
    
    start = chrono::system_clock::now();
    for( auto i = 0; i < 1000000; ++i )
    {
        for( auto j = 0; j < 10; ++j )
        {
            callback_map[j]();
        }
    }
    end = chrono::system_clock::now();
    execute_time = chrono::duration_cast(end-start).count();
    cout << "実行時間 map:\t\t" << execute_time << " μsec" << endl;
}


int main(int argc, char** argv)
{
    refarence();
    by_switch();
    by_array();
    by_vector();
    by_list();
    by_map();

    return 0;
}