面试题：C++多态在继承体系复杂时的内存布局及性能问题

Question

当存在多层继承且包含虚函数实现多态时，描述对象的内存布局情况。这种复杂继承体系下的多态调用会带来哪些性能问题，如何优化？

Answer 1

对象内存布局情况

1. 单一基类且含虚函数：对象内存布局起始位置是虚函数表指针（vptr），指向虚函数表（vtbl）。虚函数表是一个函数指针数组，每个元素对应一个虚函数的地址。之后是对象自身的数据成员。
2. 多层继承：
   • 无虚函数重写：派生类对象内存布局先包含基类子对象部分，其布局遵循基类对象布局（先vptr，后数据成员），然后是派生类新增的数据成员。若基类有多个，按继承顺序依次排列基类子对象。
   • 有虚函数重写：若派生类重写了基类虚函数，虚函数表中对应位置的函数指针会被替换为派生类中重写函数的地址。如果派生类新增虚函数，虚函数表会在末尾添加新的函数指针。

性能问题

1. 额外内存开销：每个包含虚函数的对象都有一个虚函数表指针，占用额外的内存空间。在大规模对象创建场景下，这可能导致显著的内存浪费。
2. 间接函数调用开销：多态调用通过虚函数表指针间接访问虚函数，相比直接函数调用，增加了一次指针解引用操作，降低了指令流水线的效率，影响了CPU缓存命中率，从而导致性能下降。尤其是在频繁调用虚函数的循环中，性能影响更明显。

优化方法

1. 减少虚函数使用：对于不会被重写的函数，声明为非虚函数，直接调用这些函数可避免间接调用开销。
2. 使用虚函数表缓存：在一些性能敏感的代码段中，可以手动缓存虚函数表指针和函数地址，减少重复的指针解引用操作。
3. 优化对象布局：合理安排数据成员的顺序，尽量让相关的数据成员相邻存储，提高CPU缓存命中率。例如，将经常一起访问的数据成员放在对象布局的相邻位置。
4. 使用模板和静态多态：在编译期确定函数调用，利用C++模板的特性实现静态多态（如CRTP - Curiously Recurring Template Pattern），避免运行时的虚函数间接调用开销。