面试题：C++继承体系下代码复用的性能优化与设计考量

Question

在一个大型C++项目中，继承体系复杂且深度较深，大量使用继承来实现代码复用。从性能优化和设计模式的角度出发，如何确保代码复用的高效性，同时避免因继承带来的不必要开销，如虚函数表的使用、对象布局的变化等。请结合具体的设计模式和优化策略进行阐述，并给出相关的代码架构示例。

Answer 1

一、使用组合替代继承

1. 原理：组合是将一个对象嵌入到另一个对象中，通过调用嵌入对象的方法来实现功能。这样避免了继承带来的紧密耦合以及虚函数表等开销。
2. 示例代码：

class Engine {
public:
    void start() {
        std::cout << "Engine started" << std::endl;
    }
    void stop() {
        std::cout << "Engine stopped" << std::endl;
    }
};

class Car {
private:
    Engine engine;
public:
    void startCar() {
        engine.start();
    }
    void stopCar() {
        engine.stop();
    }
};

二、使用策略模式优化行为复用

1. 原理：策略模式定义一系列算法，将每个算法封装起来，使它们可以相互替换。这样避免了在继承体系中大量虚函数的使用，通过组合方式实现行为的复用。
2. 示例代码：

class SortStrategy {
public:
    virtual void sort(int* arr, int size) = 0;
    virtual ~SortStrategy() {}
};

class QuickSort : public SortStrategy {
public:
    void sort(int* arr, int size) override {
        // 快速排序实现
    }
};

class MergeSort : public SortStrategy {
public:
    void sort(int* arr, int size) override {
        // 归并排序实现
    }
};

class Sorter {
private:
    SortStrategy* strategy;
public:
    Sorter(SortStrategy* strat) : strategy(strat) {}
    void performSort(int* arr, int size) {
        strategy->sort(arr, size);
    }
    ~Sorter() {
        delete strategy;
    }
};

三、使用模板元编程优化编译期代码生成

1. 原理：模板元编程允许在编译期进行计算和代码生成，减少运行时开销。可以通过模板特化等方式针对不同类型或条件生成不同的代码。
2. 示例代码：

template <typename T>
class MathOperations {
public:
    static T add(T a, T b) {
        return a + b;
    }
};

template <>
class MathOperations<bool> {
public:
    static bool add(bool a, bool b) {
        return a || b;
    }
};

四、减少不必要的虚函数

1. 策略：仅在确实需要多态行为时使用虚函数。如果一个函数在继承体系中不会被重写，就不要声明为虚函数。
2. 示例：

class Base {
public:
    void nonVirtualFunction() {
        // 具体实现，不会被重写
    }
    virtual void virtualFunction() {
        // 可能被重写的实现
    }
};

五、优化对象布局

1. 策略：使用#pragma pack等方式控制结构体和类的对齐方式，减少因对齐带来的空间浪费。另外，将常用成员变量放在前面，以提高缓存命中率。
2. 示例：

#pragma pack(push, 1)
struct SmallStruct {
    char a;
    int b;
};
#pragma pack(pop)

通过上述设计模式和优化策略，可以在大型C++项目中确保代码复用的高效性，同时避免继承带来的不必要开销。