面试题：优化C++ 动态联编性能的策略

Question

在大规模C++项目中，动态联编可能带来性能开销。请分析可能导致性能问题的原因，并提出至少三种优化动态联编性能的策略，说明每种策略的原理和适用场景。

Answer 1

可能导致性能问题的原因

1. 虚函数表查询开销：在运行时，通过对象的虚函数指针找到虚函数表，再从虚函数表中找到对应的函数地址，这一查找过程引入额外开销。
2. 指令缓存命中率降低：由于动态联编使得函数调用在运行时才能确定，编译器难以对代码进行有效的优化和指令预取，导致指令缓存命中率降低，增加了内存访问开销。

优化动态联编性能的策略

1. 使用非虚接口（NVI）惯用法
   • 原理：在基类中提供一个非虚函数，该函数内部调用虚函数。外部通过调用非虚函数间接调用虚函数，这样在调用非虚函数时编译器可进行内联优化，减少虚函数表查询开销。
   • 适用场景：适用于大部分虚函数调用逻辑相对稳定，不需要频繁修改调用方式的场景。例如一些框架中的基础类库，其核心虚函数逻辑在框架使用过程中基本不会改变。
2. 基于策略的设计模式（Policy - based Design）
   • 原理：通过模板参数将具体的策略（函数实现）传递给类，在编译期就确定调用的函数，避免运行时动态联编。
   • 适用场景：适用于需要根据不同条件选择不同实现，但这些条件在编译期就已知的场景。比如在一些算法库中，根据不同的数据类型或算法要求，选择不同的排序算法实现。
3. 减少虚函数的层级深度
   • 原理：虚函数层级越深，查找虚函数表的开销越大。减少层级深度可降低在虚函数表中查找目标函数的时间。
   • 适用场景：适用于类继承体系设计不合理，存在过多不必要的虚函数继承层级的项目。通过重构继承体系，合并或简化一些中间层次，提高动态联编性能。