面试题：C++中虚拟函数如何影响对象的内存布局

Question

在C++中，当一个类包含虚拟函数时，它的对象内存布局会发生怎样的变化？请举例说明这种内存布局变化对性能可能产生的影响。

Answer 1

1. 对象内存布局变化：
   • 当一个类包含虚拟函数时，该类的对象内存布局中会增加一个虚函数表指针（vptr）。这个指针指向一个虚函数表（vtbl），虚函数表中存储了该类及其基类所有虚函数的地址。
   • 例如，假设有如下类定义：

class Base {
public:
    virtual void virtualFunction() {
        std::cout << "Base::virtualFunction" << std::endl;
    }
};

• 在32位系统下，一个Base类对象的大小通常为4字节（假设指针大小为4字节，因为要存储vptr），而如果Base类没有虚函数，其对象大小通常为0字节（在某些编译器优化下，会填充为1字节以确保对象有唯一地址）。

2. 对性能的影响：
   • 积极影响：
     • 虚拟函数机制实现了运行时多态，使得程序设计更加灵活，能更好地应对复杂的软件需求变化，从长远来看，有助于提高代码的可维护性和可扩展性，这在一定程度上间接提升了开发效率。
   • 消极影响：
     • 空间开销：对象增加了vptr，会占用更多内存空间，在创建大量对象时，内存消耗会显著增加。例如，在一个游戏场景中有大量包含虚函数的游戏对象，可能会导致内存占用过高，影响游戏性能。
     • 时间开销：调用虚函数时，需要通过vptr找到虚函数表，再从虚函数表中获取函数地址然后调用，相比直接调用非虚函数，增加了一次间接寻址，会带来额外的时间开销。在对性能要求极高的实时系统或高频调用的函数中，这种开销可能会比较明显。例如，在一个高频渲染循环中频繁调用虚函数，会导致渲染帧率下降。