运行时多态性的使用与优化

运行时多态性允许在程序运行时确定调用的成员函数（而非编译时），虚函数是其核心实现机制。然而，虚函数调用会引入额外开销，需结合具体场景权衡利弊。

1. 虚函数的开销与优化  
• 动态绑定机制：

虚函数通过虚表（vtable）实现动态分派。每个对象需存储虚表指针（vptr），增加内存占用（64位系统为8字节/对象）。虚函数调用需两次内存访问（读取vptr→查找vtable→跳转执行），可能导致缓存失效和分支预测失败。  
• 编译器优化限制：

虚函数的存在会阻碍编译器内联、常量传播等优化。例如，频繁调用的小型虚函数难以内联，而CRTP（奇异递归模板模式）等静态多态技术可避免此类问题。  
• 优化策略：

• 减少虚函数调用：在高频路径中优先使用非虚函数。

• 虚函数内联：对小型虚函数使用 inline 关键字，利用编译器内联优化。

• 虚表布局优化：将高频调用的虚函数置于虚表头部，减少查找时间。

2. 继承的潜在问题与组合替代  
• 继承的代价：

子类继承父类所有成员变量，可能导致内存浪费和缓存效率下降。例如，包含多个基类的对象可能因虚继承产生冗余数据。  
• 组合模式的优势：

通过成员变量组合功能（而非继承），可降低耦合度、提升灵活性和内存效率。例如，CompositionOrderBook 通过组合 std::vector 实现订单簿，避免继承带来的虚表开销。  

// 继承模型（自动继承std::vector方法）  
class InheritanceOrderBook : public std::vector<Order> {};  

// 组合模型（显式封装，避免虚表）  
class CompositionOrderBook {  
    std::vector<Order> orders_;  
public:  
    auto size() const noexcept { return orders_.size(); }  
};

3. 运行时类型识别（RTTI）的代价与规避  
• RTTI的开销：

C++的RTTI为每个类生成类型元数据（如 typeid 和 dynamic_cast），增加内存占用和运行时检查开销。在低延迟场景中，建议禁用RTTI以提升性能。  
• 替代方案：

• 静态类型标识：使用枚举或位掩码替代 typeid。

• 自定义虚表：通过预定义虚函数指针表实现类型识别，避免RTTI的隐式开销。

4. 设计模式与代码结构优化  
• 双重调度（Double Dispatch）：

通过两次虚函数调用确定对象类型组合，避免多层继承爆炸。例如，Element 和 Visitor 模式可实现多对象交互的多态。  
• 模板与静态多态：

利用CRTP在编译时解析类型，消除虚函数调用开销。例如：  

template<typename Derived>  
class Base {  
public:  
    void speak() { static_cast<Derived*>(this)->speakImpl(); }  
};  

class Derived : public Base<Derived> {  
public:  
    void speakImpl() { /* 实现 */ }  
};

总结  
• 虚函数：适用于需动态绑定的场景，但需避免高频调用和深层继承。

• 组合优于继承：减少内存冗余和耦合，提升缓存效率。

• RTTI：低延迟场景建议禁用，改用静态类型标识。

• 静态多态：通过模板和CRTP实现零运行时开销的多态。

通过合理选择多态实现方式（虚函数、模板、组合），可在灵活性与性能间取得平衡。