虚函数：什么时候我们真的需要它？

虚函数是函数指针的一种特殊的，可优化的语法糖，详见这个问题：https://stackoverflow.com/q/7046739/14033810

作为语法糖，它所做的让语言更简单，更安全的改进是限制了函数调用的范围。函数指针不再指向每一个类型匹配的函数（或任一个函数，如果bypass C的类型检查），而是被限制在只能调用一个类与其子类的同名函数里。
而更优化的点在于，通过type deduction，编译器将indirect call变成direct call，从而减少一次取地址的开销。

直观上，在可执行文件里，所有虚函数调用都可以被devirtualize，因为经过链接后，所有类的类型均已知，通过虚函数调用的真正函数已经全部可以通过人力推断。但事实上，仍然有必须使用vtable的场合：

class A 
{
public:
  virtual void foo();
}

class A1: public A
{
public:  
  void foo() override;
}

class A2: public A
{
public:
  void foo() override;
}

class B
{
private:
  A *a;
public:  
  virtual void foo() {a->foo();};
}

int main()
{
  A1 a1;
  A2 a2;
  B b1, b2;
  
  b1.a = &a1;
  b2.a = &a2;
  
  b1.foo();
  b2.foo();
}

在上例中，在链接结束后，我们可以充分地知道每个indirect call调用的具体函数是哪个。这使得b1.foo和b2.foo都没有必要再通过vtable实现（尽管在定义上它仍然是虚函数）。
然而，对a->foo而言则不然。由于B:foo()的代码只有一份，而这个函数指针可能指代多个函数，此时就必须以某种方式区分对多个可能的函数指针的访问，也就是vtable。在上例中，B::foo()必须通过vtable调用a->foo。

判断是否能devirtualize似乎可以通过this指针的类型确定。在上例中，b1和b2本身作为this指针时，调用一个自身定义的虚函数，此时有充足的信息进行判断。而在B::foo()中，由于this指针类型为B，而调用的函数为A::foo()，超出了这个类本身的定义，所以必须使用vtable。

讨论：

1. 多态和动态链接的概念有很大的相似性，都属于“不知道地址是多少，在运行时确定”。然而，因为动态链接中函数的signature独一，函数指针指向的函数固定，所以基于PLT的调用是可以被完全消灭的，只是会牺牲动态链接带来的好处。而多态则不然，调用的函数不固定，带来的最大特点就是同一个call有多个可能调用的函数。因此，如果想要做到彻底的devirtualize，就必须为同一个函数引入多版代码，从而产生无理论上界的代码大小。

2. 除去代码尺寸外，完全的devirtualization无法在一个pass内做完，继承链有几层，就要做几个pass，可能产生很大的时间开销。这件事可以在编译时做，也可以在运行时做。这理应是一个tradeoff。

3. inline可以函数不同版本的问题。如上例中，虽然B::foo()的代码只有一份，但B::foo()的本质是调用this->a->foo()，因此把这一层函数调用去掉之后，此时this->a成为了新的this，又可以推断虚函数类型了。当然，函数是否inline是一个较复杂的话题，实现中使用了heuristic来确定，这里没有深究。一个合理的heuristic设计应当能发现inline这个函数能够消除虚函数调用，从而增加其被inline的概率。