同一对象重复调用虚函数优化：能否仅单次访问虚函数表？

给定代码 #

抽象类定义 #

class Base {
   public:

   virtual void f() = 0;

   virtual ~Base()  = default;
};

目标函数 #

void function (Base& x, bool flag1, bool flag2, bool flag3) {

   if(flag1)
      x.f();
   if(flag2)
      x.f();
   if(flag3)
      x.f();
}

主函数场景 #

int main() {
  Base* x = /* load from shared lib*/;

  bool flag1 = getchar() == '1';
  bool flag2 = getchar() == '2';
  bool flag3 = getchar() == '3';

  function(*x, flag1, flag2, flag3);

  return 0;
}

问题描述 #

在调用函数void function (Base& x, bool flag1, bool flag2, bool flag3)时，即便三个flag均为true，是否可期望仅访问一次虚函数表？即编译器能否仅从表中查找一次函数地址，后续两次调用复用该地址？

注：从共享库加载实例仅为示例，用于排除函数内联的可能性。

回答 #

可以期望编译器仅访问一次虚函数表并复用函数地址，但这属于编译器的优化行为，并非C++标准强制要求。

具体原因如下：

• 在function函数的执行周期内，x作为Base&引用，其绑定的对象动态类型不会发生改变（代码中无修改对象类型的逻辑，且默认是单线程无外部干扰的场景），因此虚函数f()的地址是固定不变的。
• 编译器可以通过**公共子表达式消除（CSE）**优化，将从虚函数表中获取f()地址的操作提取到所有条件判断之前，仅执行一次，后续满足条件的调用直接复用已获取的函数地址。
• 题目中排除内联的场景不影响该优化，因为虚表地址的提取优化与函数内联无关，只要编译器能确定对象的动态类型在函数内保持稳定，就可以触发该优化。

补充说明：如果存在多线程场景，且有其他线程可能修改x绑定对象的动态类型，编译器会因无法保证地址稳定性而放弃该优化，但本题的代码场景不存在这种情况。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Ian Gaspariunas