我想從一個遊戲程序員的角度探討OOP的一個問題──性能。

現時C++可以說是支持OOP範式中最為常用及高性能的語言。雖然如此，在C++使用OOP的編程方式在一些場合未能提供最高性能。[1]詳細描述了這個觀點，我在此嘗試簡單說明。注意：其他支持OOP的語言通常都會有本答案中提及的問題，C++只是一個合適的說明例子。

歷史上，OOP大概是60年代出現，而C++誕生於70年代末。現在的硬件和當時的有很大差異，其中最大的問題是内存墙_百度百科。

面向对象编程的弊端是什么？插图

圖1: 處理器和內存的性能提升比較，處理器的提升速度大幅高於內存 [2]。

跟據Numbers Every Programmer Should Know By Year：

面向对象编程的弊端是什么？插图1

圖2：2014年計算機幾種操作的潛伏期（latency）。

從這些數據，我們可以看出，內存存取成為現代計算機性能的重要瓶頸。然而，這個問題在C++設計OOP編程範式的實現方式之初應該並未能考慮得到。現時的OOP編程有可能不緩存友好（cache friendly），導致有時候並不能發揮硬件最佳性能。以下描述一些箇中原因。

1. 過度封裝

使用OOP時，會把一些複雜的問題分拆抽象成較簡單的獨立對象，通過對象的互相調用去實現方案。但是，由於對象包含自己封裝的數據，一個問題的數據集會被分散在不同的內存區域。互相調用時很可能會出數據的cache miss的情況。

2. 多態

在C++的一般的多態實現中，會使用到虛函數表。虛函數表是通過加入一次間接層來實現動態派送。但在調用的時候需要讀取虛函數表，增加cache miss的可能性。基本上要支持動態派送，無論用虛函數表、函數指針都會形成這個問題，但如果類的數目極多，把函數指針如果和數據放在一起有時候可放緩問題。

3. 數據布局

雖然OOP本身並無限制數據的布局方式，但基本上絕大部分OOP語言都是把成員變量連續包裹在一段內存中。甚至使用C去編程的時候，也通常會使用到OOP或Object-based的思考方式，把一些相關的數據放置於一個struct之內：

struct Particle {
    Vector3 position;
    Vector4 velocity;
    Vector4 color;
    float age;
    // ...
};

即使不使用多態，我們幾乎不加思索地會使用這種數據布局方式。我們通常會以為，由於各個成員變量都緊湊地放置在一起，這種數據布局通常對緩存友好。然而，實際上，我們需要考慮數據的存取模式（access pattern）。

在OOP中，通過封裝，一個類的各種功能會被實現為多個成員函數，而每個成員函數實際上可能只會存取少量的成員變量。這可能形式非常嚴重的問題，例如：

for (Particle* p = begin; p != end; ++p)
    p->position += p->velocity * dt; // 或 p->SimulateMotion(dt);

在這種模式下，實階上只存取了兩個成員變量，但其他成員變量也會載入緩存造成浪費。當然，如果在迭代的時候能存取盡量多的成員變量，這個問題可能並不存在，但實際上是很困難的。

如果採用傳統的OOP編程範式及實現方式，數據布局的問題幾乎沒有解決方案。所以在[1]裡，作者提出，在某些情況下，應該放棄OOP方式，以數據的存取及布局為編程的考慮重中，稱作面向數據編程（data-oriented programming, DOP）。

有關DOP的內容就不在此展開了，讀者可參考[1]，還有[3]作為實際應用例子。

[1] ALBRECHT, “Pitfalls of Object Oriented Programming”, GCAP Australia, 2009. http://research.scee.net/files/presentations/gcapaustralia09/Pitfalls_of_Object_Oriented_Programming_GCAP_09.pdf
[2] Hennessy, John L., and David A. Patterson. Computer architecture: a quantitative approach. Elsevier, 2012.
[3] COLLIN, “Culling the Battlefield”, GDC 2011. http://dice.se/wp-content/uploads/CullingTheBattlefield.pdf

— 完 —

本文作者：Milo Yip

【知乎日报】
你都看到这啦，快来点我嘛 Σ(▼□▼メ)

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延伸阅读：
面向对象编程的重要性在哪？
怎样才是纯面向对象编程语言？

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