**デヴァーチャリゼーションと静的ポリモルフィズム**

「クリーン」なポリモーフィック設計が遅くなる理由

• 仮想ディスパッチは実行時ポリモーフィズムを提供しますが、隠れたコストも伴います。
  • ポインタの間接参照
  • オブジェクトレイアウトの肥大化（vptr）
  • インライン展開の機会減少

コンパイラはデバーチャル化を試みますが、常に可能というわけではありません。
レイテンシーに敏感なコードパスでは、動的ディスパッチを静的ポリモーフィズムに置き換えることで、呼び出しをコンパイル時に解決でき、抽象化のランタイムコストをほぼゼロにできます。

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仮想ディスパッチ

ベースインタフェースが仮想メソッドを公開し、派生クラスでオーバーライドされるときに起こる実行時ポリモーフィズムです。

Base&

から呼び出すと、その時点で適切なオーバーライドへディスパッチされます。

内部構造は次のようになります。

virtual table (vtable)   → クラスごとに1つ
pointer to vtable (vptr) → 各インスタンスに格納

アセンブリ例

; 非仮想 foo()
bar(Base* base):
        sub     rsp, 8
        call    Base::foo()          ; 直接呼び出し
        add     rsp, 8
        add     eax, 77
        ret

; 仮想 foo()
bar(Base* base):
        sub     rsp, 8
        mov     rax, [rdi]           ; vptr をロード
        call    [rax]                ; vtable 経由で間接呼び出し
        add     rsp, 8
        add     eax, 77
        ret

追加の

vptr

はオブジェクトサイズを増やし、間接参照によりインライン化が妨げられ、分岐ミスプリダクションやキャッシュ効率低下を招きます。

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デバーチャル化（Devirtualisation）

コンパイラが呼び出されるオーバーライドを推論できる場合、vtable を使わずに直接呼び出しを生成します。動的型が固定の場合は簡単です。

struct Base { virtual int foo() = 0; };
struct Derived : Base { int foo() override { return 77; } };

int bar() {
    Derived d;
    return d.foo();          // コンパイラは Derived::foo を知っている
}

制限事項

• 従来のコンパイル方式では、翻訳単位（TU）ごとにオブジェクトファイルが生成されます。リンカがそれらを結合するため、クロス‑TU 最適化は限定的です。
• コンパイラフラグで助けることができます：

  • -fwhole-program

    – 現在の TU がプログラム全体であると仮定し、他に派生クラスが存在しないと見なします。

  • -flto

    （リンク時最適化） – オブジェクトファイルに中間表現を保持し、すべての TU を横断して最適化を行います。

final

の使用

class Base {
public:
    virtual int foo();
    virtual int bar();
};

class Derived : public Base {
public:
    int foo() override;
    int bar() final;          // 以降オーバーライド不可
};

int test(Derived* d) {
    return d->foo() + d->bar();
}

bar()

は仮想で宣言されているにも関わらず、直接呼び出しとして生成されます。

test(Derived*):
        push    rbx
        sub     rsp, 16
        mov     rax, [rdi]           ; vptr をロード
        mov     [rsp+8], rdi         ; d を保存
        call    [rax]                ; foo() の仮想呼び出し
        mov     rdi, [rsp+8]
        mov     ebx, eax
        call    Derived::bar()       ; 直接呼び出し
        add     rsp, 16
        add     eax, ebx
        pop     rbx
        ret

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静的ポリモーフィズム

デバーチャル化が不可能な場合は静的ポリモーフィズムを利用します。代表的な手法は CRTP（Curiously Recurring Template Pattern） です。

template<class Derived>
class Base {
public:
    int foo() { return 77 + static_cast<Derived*>(this)->bar(); }
};

class Derived : public Base<Derived> {
public:
    int bar() { return 88; }
};

int test() {
    Derived d;
    return d.foo();
}

-O3

を付けてコンパイルすると、すべてがインライン化されます。

test():
        mov     eax, 165      ; 77 + 88
        ret

vtable も vptr もなく、間接参照はありません。

トレードオフ

Base<Derived>

の各インスタンスは別個の型として扱われます。共通のランタイムベースがないため、共有機能はすべてテンプレート化する必要があります。

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C++23「deducing this」

C++23 で導入された deducing this は静的ディスパッチを保ちつつ、書きやすさを向上させます。

class Base {
public:
    int foo(this auto&& self) { return 77 + self.bar(); }
};

class Derived : public Base {
public:
    int bar() { return 88; }
};

foo

は

foo<Derived>

としてインスタンス化され、

bar()

の呼び出しは静的に解決・インライン化されます。結果として生成されるコードは CRTP を使った場合と同等です。

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