Могут ли компиляторы C++ оптимизировать повторяющиеся вызовы виртуальных функций для одного и того же указателя?

В общем, нет, нельзя. Функция может уничтожить *this и разместить новый какой-либо другой объект, производный от той же базы в этом пространстве.

Редактировать: еще проще, функция может просто изменить p. Компилятор не может знать, у кого есть адрес p, если только он не является локальным для рассматриваемой единицы оптимизации.

В общем случае невозможно, но есть особые случаи, которые можно оптимизировать, особенно при межпроцедурном анализе. VS2012 с полной оптимизацией и оптимизацией всей программы компилирует эту программу:

#include <iostream>

using namespace std;

namespace {
struct A {
  virtual void foo() { cout << "A::foo\n"; }
};

struct B : public A {
  virtual void foo() { cout << "B::foo\n"; }
};

void test(A& a) {
  for (int i = 0; i < 100; ++i)
    a.foo();
}
}

int main() {
  B b;
  test(b);
}

to:

01251221  mov         esi,64h  
01251226  jmp         main+10h (01251230h)  
01251228  lea         esp,[esp]  
0125122F  nop  
01251230  mov         ecx,dword ptr ds:[1253044h]  
01251236  mov         edx,12531ACh  
0125123B  call        std::operator<<<std::char_traits<char> > (012516B0h)  
01251240  dec         esi  
01251241  jne         main+10h (01251230h)  

поэтому он эффективно оптимизировал цикл для:

for(int i = 0; i < 100; ++i)
  cout << "B::foo()\n";