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淺談C++ 虛函數(shù)

更新時(shí)間：2020年09月14日 15:31:46 作者：bianchengnan

這篇文章主要介紹了C++ 虛函數(shù)的相關(guān)資料，幫助大家更好的理解和學(xué)習(xí)c++，感興趣的朋友可以了解下

緣起

在上一篇文章中，測(cè)試代碼2 中的 pBaseA->AA(); 輸出的內(nèi)容很“奇怪”。其實(shí)，完全在情理之中。本文將簡(jiǎn)單探究一下 c++ 中的虛函數(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)制。本文主要基于 vs2013 生成的 32 位代碼進(jìn)行研究，相信其它編譯器（比如，gcc）的實(shí)現(xiàn)大同小異。

先從對(duì)象大小開(kāi)始

假設(shè)我們有如下代碼，假設(shè) int 占 4 字節(jié)，指針占 4 字節(jié)。

#include "stdafx.h"
#include "stdlib.h"
#include "stddef.h"

class CBase
{
public:
  virtual void VFun1() { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
  virtual void VFun2() { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
  virtual ~CBase() { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
  int data;
};

class CDerived : public CBase
{
public:
  virtual void VFunNew() { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
  virtual void VFun1() override { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
  virtual ~CDerived() override { printf(__FUNCTION__ "\n"); }
};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
  printf("sizeof CBase is: %d, offset of data is %d\n",
      sizeof(CBase), offsetof(CBase, data));
  system("pause");

  CBase* pBase = new CDerived();
  pBase->VFun1();
  pBase->VFun2();
  system("pause");
  return 0;
}

輸出結(jié)果如下圖：

有沒(méi)有覺(jué)得意外？從類定義可知，data 占 4 字節(jié)，那另外的 4 字節(jié)是哪里來(lái)的呢？data 的偏移值不應(yīng)該是 0 嗎？為什么是 4 呢？

內(nèi)存布局

如果一個(gè)類有虛函數(shù)，編譯器會(huì)自動(dòng)為這個(gè)類型的對(duì)象在頭部增加一個(gè)虛表指針（vftable），指向虛函數(shù)表。虛函數(shù)表中存放著一個(gè)個(gè)的虛函數(shù)。

CBase 和 CDerived 類對(duì)象的內(nèi)存布局如下：

注意：虛函數(shù)表中索引為 -1 的地方指向了跟動(dòng)態(tài)類型轉(zhuǎn)換相關(guān)的信息。

虛表指針的初始化

vftable 是在類的構(gòu)造函數(shù)中初始化的?？梢栽?code> IDA 中分別查看 CBase 類和 CDerived 類的構(gòu)造函數(shù)的反匯編代碼。

CBase 構(gòu)造函數(shù)的反匯編代碼如下（關(guān)鍵部分已注釋）：

由反匯編代碼可知， CBase 的構(gòu)造函數(shù)會(huì)把 CBase 對(duì)象開(kāi)始的位置（存放虛表指針）設(shè)置為 CBase::vftable。

CDerived 構(gòu)造函數(shù)的反匯編代碼如下（關(guān)鍵部分已注釋）：

由反匯編代碼可知， CDerived 的構(gòu)造函數(shù)會(huì)先調(diào)用 CBase 的構(gòu)造函數(shù)進(jìn)行基類部分的初始化，在 CBase 構(gòu)造函數(shù)的內(nèi)部把 CDerived 對(duì)象開(kāi)始的位置設(shè)置為 CBase::vftable，然后調(diào)用自身的初始化部分，會(huì)把 CDerived::vftable 的地址放到對(duì)象開(kāi)始的位置，從而替換掉了 CBase 類的虛表指針。

虛函數(shù)表的內(nèi)容

了解完了虛表指針的初始化過(guò)程，再來(lái)看看 vftable 里面都有哪些內(nèi)容。

可以雙擊 ??_7CBase@@6B@ （或者直接按回車）跳轉(zhuǎn)到虛表所在的地方。如下圖：

說(shuō)明：上側(cè)是 CBase 類的虛表內(nèi)容，下側(cè)是 CDerived 類的虛表內(nèi)容。

請(qǐng)注意圖片上側(cè)黃色高亮部分，也就是 vftable[-1] 的地方，是跟動(dòng)態(tài)類型轉(zhuǎn)換相關(guān)的信息，后面有機(jī)會(huì)介紹。

虛函數(shù)調(diào)用

理解了類對(duì)象的內(nèi)存布局及虛函數(shù)表之后，再理解虛函數(shù)的調(diào)用過(guò)程就比較簡(jiǎn)單了。

有些 C++ 基礎(chǔ)的小伙伴兒都知道本例中的輸出結(jié)果應(yīng)該如下圖所示：

直接看一下 pBase->VFun1() 和 pBase->VFun2() 對(duì)應(yīng)的反匯編代碼就應(yīng)該明白一切了。如下圖：

因?yàn)?pBase 指向的實(shí)際是 CDerived 類型的對(duì)象，所以虛表是 CDerived 類的。如下圖所示

經(jīng)過(guò)以上的分析，輸出結(jié)果合情合理。

說(shuō)明

本文只是拿了一個(gè)最最簡(jiǎn)單的例子做演示。像多重繼承，虛繼承等比較復(fù)雜的情況，感興趣的小伙伴可以自行研究。

雖然這個(gè)例子很簡(jiǎn)單，但是背后的機(jī)理值得了解清楚，非常有用。比如，當(dāng)庫(kù)中的接口與庫(kù)頭文件不匹配的時(shí)候，很可能莫名其妙的就崩潰了。這時(shí)可以通過(guò)查看指針對(duì)應(yīng)的虛表的內(nèi)容來(lái)查看庫(kù)中的虛函數(shù)都有哪些，跟頭文件對(duì)比后就可以比較準(zhǔn)確的判斷是否是庫(kù)不匹配的問(wèn)題。還可以根據(jù)虛表的內(nèi)容，猜測(cè)出基類指針指向的具體的子類對(duì)象的類型。

可以在 windbg 中使用 dps 命令快速打印，如下圖：

總結(jié)

虛表指針是在類的構(gòu)造函數(shù)中初始化的，相應(yīng)的代碼由編譯器自動(dòng)生成。
在生成調(diào)用虛函數(shù)的代碼的時(shí)候，并沒(méi)有直接把虛函數(shù)地址寫死，而是通過(guò)虛表進(jìn)行調(diào)用，多了一層間接層。
Any problem in computer science can be solved by anther layer of indirection. (計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的任何問(wèn)題都可以通過(guò)增加一個(gè)間接的中間層來(lái)解決)