从汇编层面深度剖析 C++ 虚函数

虚函数是C++语言实现运行时多态的唯一手段,因此掌握C++虚函数也成为C++程序员是否合格的试金石。csdn网友所发的一篇博文《VC虚函数布局引发的问题》 从汇编角度分析了对象虚函数表的构,以及C++指针或者引用是如何利用这个表来实现运行时多态。

诚然,C++虚函数的结构会因编译器不同而异,但所使用的原理是一样的。为此,本文使用linux平台下的g++编译器,试图从汇编的层面上分析虚函数表的结构,以及如何利用它来实现运行时多态。

汇编语言是难读的,特别是对一些没有汇编基础的朋友,因此,本文将汇编翻译成相应的C语言,以方便读者分析问题。

1. 代码

为了方便表述问题,本文选取只有虚函数的两个类,当然,还有它的构造函数,如下:

2. 两个类的虚函数表(vtable)

使用g++ –Wall –S test.cpp命令,可以将上述的C++代码生成它相应的汇编代码。

_ZTV4Base是一个数据符号,它的命名规则是根据g++的内部规则来命名的,如果你想查看它真正表示C++的符号名,可使用c++filt命令来转换,例如:

_ZTV4Base符号(或者变量)可看作为一个数组,它的第一项是0,第二项_ZIT4Base是关于Base的类型信息,这与typeid有关。为方便讨论,我们略去此二项数据。 因此Base类的vtable的结构,翻译成相应的C语言定义如下:

而Derive的更是类似,只有稍为有点不同:

相应的C语言定义如下:

从上面两个类的vtable可以看到,Derive的vtable中的第一项重写了Base类vtable的第一项。只要子类重写了基类的虚函数,那么子类vtable相应的项就会更改父类的vtable表项。 这一过程是编译器自动处理的,并且每个的类的vtable内容都放在数据段里面。

3. 谁让对象与 vtable 绑到一起

上述代码只是定义了每个类的vtable的内容,但我们知道,带有虚函数的对象在它内部都有一个vtable指针,指向这个vtable,那么是何时指定的呢? 只要看看构造函数的汇编代码,就一目了然了:

Base::Base()函数的编译代码如下:

ZN4BaseC1Ev这个符号是C++函数Base::Base() 的内部符号名,可使用c++flit将它还原。C++里的class,可以定义数据成员,函数成员两种。但转化到汇编层面时,每个对象里面真正存放的是数据成员,以及虚函数表。

在上面的Base类中,由于没有数据成员,因此它只有一个vtable指针。故Base类的定义,可以写成如下相应的C代码:

构造函数中最关键的两句是:

$_ZTV4Base+8 就是Base类的虚函数表的开始位置,因此,构造函数对应的C代码如下:

同样地,Derive类的构造函数如下:

4. 实现运行时多态的最关键一步

在造构函数里面设置好的vtable的值,显然,同一类型所有对象内的vtable值都是一样的,并且永远不会改变。下面是main函数生成的汇编代码,它展示了C++如何利用vtable来实现运行时多态。

这两句是为局部变量d和bp在堆栈上分配空间,也即如下的语句:

esp+24是变量d的首地址,先将它压到堆栈上,然后调用d的构造函数,相应翻译成C语言则如下:

这里其实是将&d的值赋给pb,也即:

最关键的代码是下面这一段:

翻译成C语言也就传神的那句:

编译器会记住f虚函数放在vtable的第0项,这是编译时信息。

5. 小结

这里省略了很多关于编译器和C++的细枝未节,是出于讨论方便用的需要。从上面的编译代码可以看到以下信息:

1.每个类都有各有的vtable结构,编译会正确填写它们的虚函数表

2. 对象在构造函数时,设置vtable值为该类的虚函数表

3.在指针或者引用时调用虚函数,是通过object->vtable加上虚函数的offset来实现的。

当然这仅仅是g++的实现方式,它和VC++的略有不同,但原理是一样的。

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