面试题：C++非虚函数继承下的内存布局与调用优化

Question

已知C++中类继承体系如下，Base类有一个非虚函数func()，Derived类继承自Base。在内存布局层面，解释为什么非虚函数在通过基类指针调用时不会表现出多态性？如果在频繁调用该非虚函数的场景下，从编译器优化角度，有哪些可能的优化方式？ ```cpp class Base { public: int baseData; void func() { // 一些简单操作 } }; class Derived : public Base { public: int derivedData; }; ```

Answer 1

1. 非虚函数在通过基类指针调用时不会表现出多态性的原因（内存布局层面）

• 内存布局：在C++中，类对象的内存布局是按照声明顺序排列成员变量的。对于Base类，其对象的内存布局简单地包含baseData成员变量和func函数的代码入口地址（函数本身并不占用对象的内存空间，对象中存储的是函数指针或直接是函数入口地址，取决于具体实现）。当Derived类继承自Base类时，Derived类对象的内存布局首先是Base类部分（包含baseData），接着是Derived类自己的derivedData成员变量。
• 调用机制：非虚函数在编译时就确定了调用的具体函数。当通过基类指针Base* ptr = new Derived();调用非虚函数ptr->func();时，编译器根据指针的静态类型（即Base类型）直接确定要调用的函数是Base::func。这是因为编译器在编译阶段就知道Base类中func函数的地址，不需要在运行时动态查找。相比之下，虚函数的调用依赖于虚函数表（vtable）。虚函数表是在运行时根据对象的实际类型来确定的，而对于非虚函数，没有这种运行时动态绑定的机制，所以不会表现出多态性。

2. 频繁调用非虚函数场景下编译器的优化方式

• 内联优化：编译器可以将非虚函数的代码直接嵌入到调用处，避免函数调用的开销（如栈帧的创建与销毁、参数传递等）。对于简单的非虚函数，编译器通常会自动进行内联优化。在上述代码中，如果func函数中的操作比较简单，编译器可能会将func函数内联，使得调用func的地方直接替换为func函数的代码，提高执行效率。可以使用inline关键字显式提示编译器进行内联，但最终是否内联还是由编译器决定。
• 寄存器优化：编译器可以将频繁使用的变量（如baseData）存储在寄存器中，减少内存访问次数。在func函数中，如果baseData被频繁访问，编译器可能会将其加载到寄存器中，使得对baseData的操作直接在寄存器中进行，提高访问速度。
• 循环展开：如果func函数内部包含循环，编译器可以进行循环展开优化。即将循环体展开多次，减少循环控制语句的开销，提高指令级并行度。例如，原本多次迭代的循环可以展开为顺序执行的代码块，减少了每次迭代时的条件判断和跳转操作。