面试题：C++ 拷贝构造函数性能优化在复杂继承体系中的应用

Question

假设有一个复杂的继承体系，基类和多个派生类都包含动态分配的资源。请阐述在这种情况下，如何设计拷贝构造函数以达到性能优化，同时要考虑到对象切片等问题。请给出一个示例代码，展示在复杂继承体系中实现高性能拷贝构造函数的方法，并分析其性能优势。

Answer 1

设计思路

1. 深拷贝：对于动态分配的资源，需要进行深拷贝，确保每个对象都有自己独立的资源副本，避免浅拷贝导致的资源共享和释放问题。
2. 虚函数与多态：通过在基类中定义虚的拷贝构造函数，利用多态性确保在派生类对象拷贝时调用正确的拷贝构造函数，防止对象切片。
3. 性能优化：在拷贝构造函数中，可以采用移动语义（C++11 及以后）来提高性能，避免不必要的资源重新分配。

示例代码

#include <iostream>
#include <memory>

class Base {
public:
    virtual ~Base() = default;
    virtual std::unique_ptr<Base> clone() const = 0;
    virtual void print() const = 0;
};

class Derived1 : public Base {
private:
    std::unique_ptr<int> data;
public:
    Derived1(int value) : data(std::make_unique<int>(value)) {}
    ~Derived1() override = default;
    std::unique_ptr<Base> clone() const override {
        return std::make_unique<Derived1>(*data);
    }
    void print() const override {
        std::cout << "Derived1: " << *data << std::endl;
    }
};

class Derived2 : public Base {
private:
    std::unique_ptr<int> data;
public:
    Derived2(int value) : data(std::make_unique<int>(value)) {}
    ~Derived2() override = default;
    std::unique_ptr<Base> clone() const override {
        return std::make_unique<Derived2>(*data);
    }
    void print() const override {
        std::cout << "Derived2: " << *data << std::endl;
    }
};

void copyAndPrint(const Base& obj) {
    auto clonedObj = obj.clone();
    clonedObj->print();
}

int main() {
    Derived1 d1(10);
    Derived2 d2(20);

    copyAndPrint(d1);
    copyAndPrint(d2);

    return 0;
}

性能优势分析

1. 避免对象切片：通过虚函数 clone，在拷贝对象时能够准确调用派生类的拷贝构造函数，避免了对象切片问题，确保拷贝后的对象类型与原对象一致。
2. 资源管理：使用 std::unique_ptr 进行资源管理，自动释放资源，减少了内存泄漏的风险。并且在 clone 函数中利用 std::make_unique 高效地创建新对象，提升性能。
3. 移动语义：虽然示例中未直接体现移动语义，但在实际场景中，可以在 clone 函数返回时使用 std::move 来转移资源所有权，进一步优化性能，避免不必要的资源复制。