ANTLR4 C++运行时性能优化：减少ATNConfig内存分配

在开发基于ANTLR4的VBA方言解释器时，我们发现当处理大型脚本文件（约10000行代码）时，解析阶段需要超过10秒的时间，而解释阶段由于已经进行了许多优化（如避免使用ParseTree接口）反而耗时很少。通过性能分析，我们发现ANTLR4 C++运行时在处理这类大型文件时会创建约5000万个ATNConfig实例，导致大量内存分配操作。

问题分析

在C++中，频繁的内存分配会严重影响性能。通过添加全局计数器跟踪ATNConfig实例的创建和销毁，我们发现同时存在的ATNConfig实例峰值约为70万个，这意味着绝大多数ATNConfig实例都是短暂使用后被立即销毁的。

这种大量短生命周期对象的创建和销毁导致了以下问题：

1. 频繁的内存分配和释放操作消耗了大量CPU时间
2. 内存碎片化问题可能加剧
3. 缓存局部性差，影响CPU缓存效率

技术背景

ATNConfig是ANTLR4解析过程中的核心数据结构，用于表示解析器在ATN（Augmented Transition Network）中的配置状态。在解析歧义语法时，ANTLR4需要尝试多种可能的解析路径，这会导致大量ATNConfig实例的创建。

VBA语言中存在一些固有歧义，特别是函数调用可以不使用括号的特性，例如：

doubleIt 3 + 4

这个表达式既可以解释为doubleIt(3) + 4，也可以解释为doubleIt(3 + 4)。ANTLR4需要通过尝试多种解析路径来解决这类歧义。

优化方案

我们提出了一个基于对象池的优化方案：

std::list<ATNConfig> atnConfigs;
std::vector<ATNConfig*> freeAtnConfigs;

void release(ATNConfig& atnConfig) {
    atnConfig.clear(); // 调用清理方法
    freeAtnConfigs.push_back(&atnConfig);
}

ATNConfig& get(...) {
    ATNConfig* atnConfig;
    if (freeAtnConfigs.empty()) {
        atnConfigs.emplace_back(ATNConfig());
        atnConfig = &atnConfigs.back();
    } else {
        atnConfig = freeAtnConfigs.back();
        freeAtnConfigs.pop_back();
    }
    atnConfig->init(...);
    return *atnConfig;
}

这个方案的核心思想是：

1. 预分配一组ATNConfig对象
2. 使用后不立即销毁，而是放入空闲列表
3. 需要新对象时优先从空闲列表获取
4. 避免频繁的内存分配和释放操作

实施考虑

在实现这一优化时，需要考虑以下技术细节：

1. 需要替换现有的std::shared_ptr使用方式，可能引入std::allocate_shared
2. 对象池的大小需要合理设置，避免内存浪费
3. 需要考虑多线程环境下的安全性
4. 需要确保对象在重用前被正确清理

预期收益

通过减少内存分配操作，我们预期可以获得以下改进：

1. 解析性能提升10-100倍
2. 减少内存碎片
3. 提高CPU缓存命中率
4. 更稳定的性能表现

结论

ANTLR4 C++运行时的性能优化是一个值得深入研究的领域。通过实现ATNConfig对象池，可以显著减少内存分配操作，从而大幅提升解析性能。这种优化不仅适用于VBA解析场景，也能惠及所有使用ANTLR4 C++运行时的项目。