std::visit使用开销对比及虚函数调用成本差异技术问询

#include <fmt/core.h>
#include <string>
#include <array>
#include <variant>

struct Student {
    std::string name;
    Student(const char* name) : name(name) {}
    void display() { fmt::print("Student {}\n", name); }
    virtual void play() { fmt::print("Student {} played\n", name); }
};

struct Teacher {
    std::string name;
    Teacher(const char* name) : name(name) {}
    void display() { fmt::print("Teacher {}\n", name); }
    virtual void play() { fmt::print("Teacher {} played\n", name); }
};

int main() {
    // case 1: use Student
    Student student{"Alice"};
    student.display();

    // case 2: use std::variant which holds a Student
    std::variant<Student, Teacher> person(std::in_place_type<Student>, "Charlie");
    std::visit([](auto&& arg) {
        arg.display();
    }, person);
}

问题1：std::variant+std::visit的额外开销是什么？是不是仅通过类型索引做cast后调用？ #

和直接调用Student::display的case1相比，case2的额外开销非常有限：

• 首先，std::variant会存储一个整数类型索引，std::visit运行时会读取这个索引，然后通过编译期生成的跳转表（相当于预先编译好的switch分支）跳转到对应类型的lambda实例。这就是多出来的核心步骤：读取索引+一次分支跳转，开销极小。
• 其次，这里不是简单的reinterpret_cast。std::variant内部用对齐的union存储对象，std::visit会根据索引安全地转换到对应类型，整个过程是编译期验证过的，不存在未定义行为。case1是编译期直接绑定的函数调用，完全没有运行时额外开销；case2多的那点开销可以忽略，远小于虚函数调用的成本。

问题2：改成调用虚函数play，成本会有差异吗？ #

会存在差异，具体情况如下：

• case1：调用student.play()是标准的虚函数调用流程——读取对象的虚函数表指针（vptr），再通过vptr找到虚函数表（vtable）中play的地址，最后执行间接跳转。这是一次内存读取+间接跳转的开销。
• case2：在std::visit的lambda里，arg的静态类型是明确的Student&或Teacher&（因为std::visit已经确定了当前variant持有的具体类型），因此调用arg.play()时，编译器可以直接绑定到Student::play或Teacher::play的具体实现，不需要走虚函数表的间接跳转。此时case2的开销是std::visit的索引读取+分支跳转，加上直接函数调用。

如果编译器开启了O2这类优化，std::visit的分支跳转甚至可能被完全优化掉，此时两者的开销几乎没有区别；未开启优化时，case2会比case1多一点点分支跳转的开销。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者doraemon