为何虚成员函数会影响未触发虚分派的编译单元生成代码？

问题场景代码 #

翻译单元（TU）代码 #

#include "Foo.hpp"
int main() {
    // stuff
    Foo* foo{new Foo{}};
    foo->foo();
    // stuff
}

Foo.hpp内容 #

#pragma once
struct Foo {
    virtual void foo(); // implmented somewhere
};

汇编对比 #

保留virtual关键字时的汇编 #

main:                                   # @main
        push    rax
        mov     edi, 8
        call    operator new(unsigned long)@PLT
        mov     rcx, qword ptr [rip + vtable for Foo@GOTPCREL]
        add     rcx, 16
        mov     qword ptr [rax], rcx
        mov     rdi, rax
        call    Foo::foo()@PLT
        xor     eax, eax
        pop     rcx
        ret

移除virtual关键字后的汇编 #

main:                                   # @main
        push    rax
        mov     edi, 1
        call    operator new(unsigned long)@PLT
        mov     rdi, rax
        call    Foo::foo()@PLT
        xor     eax, eax
        pop     rcx
        ret

疑问与解答 #

从代码逻辑看，foo->foo()必然调用Foo::foo()，但保留virtual时的汇编出现了vtable相关指令，这并不是Clang没做优化，而是对汇编的理解有偏差：

1. 动态分派已经被优化：
   注意看汇编里的调用指令是call Foo::foo()@PLT——这是直接调用具体函数的方式。如果没做动态分派消除优化，这里应该是通过虚表间接调用，比如call qword ptr [rax]（先取对象的虚表指针，再从虚表中取函数地址调用）。所以Clang已经识别出当前场景不需要动态分派，直接优化成了静态调用。

2. vtable相关指令是对象初始化的要求：
   带virtual的类属于多态类，C++标准要求这类对象的内存布局必须包含虚表指针（vptr），指向对应的虚表（vtable）。哪怕当前TU里不需要用这个虚表做动态分派，new Foo{}构造出的对象也必须符合多态类的内存规范——因为这个对象可能被其他TU的代码使用（比如把指针传递出去，其他代码可能通过它做动态分派）。
   汇编里的mov rcx, qword ptr [rip + vtable for Foo@GOTPCREL]等指令，就是在给新创建的Foo对象初始化虚表指针，这是构造多态对象的必要步骤，和当前的函数调用优化无关。

3. 内存分配大小的差异原因：
   保留virtual时分配8字节（mov edi,8），是因为64位系统下虚表指针占8字节；移除virtual后分配1字节（mov edi,1），是因为空结构体的大小在C++中是1字节（保证每个对象有唯一地址），这也侧面印证了多态对象需要额外存储虚表指针的事实。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Enlico