面试题：C++虚函数与普通成员函数在复杂继承体系及性能优化中的考量

Question

假设有一个多层次、多分支的复杂继承体系，部分类含有虚函数，部分含有普通成员函数。请分析在这种体系下，虚函数和普通成员函数对代码的可维护性、可读性以及运行性能产生的影响。并提出针对虚函数调用开销的性能优化策略，说明其原理及适用场景。

Answer 1

虚函数对代码的影响

1. 可维护性：
   • 优点：增加了代码的灵活性，在继承体系中，派生类可以重写虚函数以实现特定行为，当需求变化时，只需在派生类中修改虚函数实现，无需修改调用代码，便于功能扩展和维护。
   • 缺点：继承体系复杂时，虚函数的重写关系可能变得混乱，难以追踪具体调用的是哪个派生类的虚函数实现，增加维护难度。
2. 可读性：
   • 优点：从基类接口调用虚函数，使代码结构更清晰，体现面向对象的多态性，容易理解代码意图。
   • 缺点：继承层次深且虚函数重写多的情况下，难以直观确定实际调用的函数，影响代码可读性。
3. 运行性能：
   • 开销：虚函数调用通过虚函数表（vtable）实现，每次调用需要通过对象的虚指针（vptr）找到虚函数表，再从表中找到对应函数地址进行调用，增加了额外的间接寻址开销，相比普通成员函数调用性能略低。

普通成员函数对代码的影响

1. 可维护性：
   • 优点：调用关系明确，在类定义中可以直接看到函数实现，维护相对简单。
   • 缺点：缺乏灵活性，在继承体系中，派生类不能重写普通成员函数来改变行为，若要实现类似功能需重新定义函数，导致代码冗余，不利于维护。
2. 可读性：
   • 优点：调用明确，容易理解代码执行逻辑，阅读代码时能清楚知道调用的是哪个函数。
   • 缺点：在复杂继承体系中，可能出现重复的函数定义，影响代码整体可读性。
3. 运行性能：
   • 优势：普通成员函数调用直接通过对象的地址偏移找到函数，没有虚函数调用的间接寻址开销，性能较高。

虚函数调用开销的性能优化策略

1. 策略一：使用静态绑定
   • 原理：在编译期确定函数调用，通过将部分虚函数替换为普通成员函数，利用对象的静态类型直接调用，避免运行时动态绑定开销。
   • 适用场景：当确定在特定场景下，对象类型不会发生变化，不需要多态行为时，可使用静态绑定，例如在一些工具类或辅助函数中。
2. 策略二：缓存虚函数调用结果
   • 原理：对于多次调用同一虚函数且结果不变的情况，可以缓存第一次调用的结果，后续直接返回缓存值，减少虚函数调用次数。
   • 适用场景：适用于虚函数计算开销较大且输入参数不变时，如一些复杂的计算函数，其结果在一定条件下可复用。
3. 策略三：减少虚函数层次
   • 原理：简化继承体系，减少虚函数重写层次，降低虚函数表查找深度，从而减少间接寻址开销。
   • 适用场景：当继承体系过度复杂，虚函数调用性能受影响时，可对继承体系进行重构，去除不必要的层次。