深入浅出C++虚函数的vptr与vtable

2019 年 10 月 6 日
筆記

深入浅出C++虚函数的vptr与vtable

1.基础理论

为了实现虚函数，C ++使用一种称为虚拟表的特殊形式的后期绑定。该虚拟表是用于解决在动态/后期绑定方式的函数调用函数的查找表。虚拟表有时会使用其他名称，例如“vtable”，“虚函数表”，“虚方法表”或“调度表”。

虚拟表实际上非常简单，虽然用文字描述有点复杂。首先，每个使用虚函数的类（或者从使用虚函数的类派生）都有自己的虚拟表。该表只是编译器在编译时设置的静态数组。虚拟表包含可由类的对象调用的每个虚函数的一个条目。此表中的每个条目只是一个函数指针，指向该类可访问的最派生函数。

其次，编译器还会添加一个隐藏指向基类的指针，我们称之为vptr。vptr在创建类实例时自动设置，以便指向该类的虚拟表。与this指针不同，this指针实际上是编译器用来解析自引用的函数参数，vptr是一个真正的指针。

因此，它使每个类对象的分配大一个指针的大小。这也意味着vptr由派生类继承，这很重要。

2.实现与内部结构

下面我们来看自动与手动操纵vptr来获取地址与调用虚函数！

开始看代码之前，为了方便大家理解，这里给出调用图：

代码全部遵循标准的注释风格，相信大家看了就会明白，不明白的话，可以留言！

/**   * @file vptr1.cpp   * @brief C++虚函数vptr和vtable   * 编译：g++ -g -o vptr vptr1.cpp -std=c++11   * @author 光城   * @version v1   * @date 2019-07-20   */    #include <iostream>  #include <stdio.h>  using namespace std;    /**   * @brief 函数指针   */  typedef void (*Fun)();    /**   * @brief 基类   */  class Base  {      public:          Base(){};          virtual void fun1()          {              cout << "Base::fun1()" << endl;          }          virtual void fun2()          {              cout << "Base::fun2()" << endl;          }          virtual void fun3(){}          ~Base(){};  };    /**   * @brief 派生类   */  class Derived: public Base  {      public:          Derived(){};          void fun1()          {              cout << "Derived::fun1()" << endl;          }          void fun2()          {              cout << "DerivedClass::fun2()" << endl;          }          ~Derived(){};  };  /**   * @brief 获取vptr地址与func地址,vptr指向的是一块内存，这块内存存放的是虚函数地址，这块内存就是我们所说的虚表   *   * @param obj   * @param offset   *   * @return   */  Fun getAddr(void* obj,unsigned int offset)  {      cout<<"======================="<<endl;      void* vptr_addr = (void *)*(unsigned long *)obj;  //64位操作系统，占8字节，通过*(unsigned long *)obj取出前8字节，即vptr指针      printf("vptr_addr:%pn",vptr_addr);        /**       * @brief 通过vptr指针访问virtual table，因为虚表中每个元素(虚函数指针)在64位编译器下是8个字节，因此通过*(unsigned long *)vptr_addr取出前8字节，       * 后面加上偏移量就是每个函数的地址！       */      void* func_addr = (void *)*((unsigned long *)vptr_addr+offset);      printf("func_addr:%pn",func_addr);      return (Fun)func_addr;  }  int main(void)  {      Base ptr;      Derived d;      Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例      Base &pp = ptr; // 基类引用指向基类实例      Base &p = d; // 基类引用指向派生类实例      cout<<"基类对象直接调用"<<endl;      ptr.fun1();      cout<<"基类引用指向派生类实例"<<endl;      pp.fun1();      cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;      pt->fun1();      cout<<"基类引用指向基类实例并调用虚函数"<<endl;      p.fun1();        // 手动查找vptr 和 vtable      Fun f1 = getAddr(pt, 0);      (*f1)();      Fun f2 = getAddr(pt, 1);      (*f2)();      delete pt;      return 0;  }

运行结果：

基类对象直接调用  Base::fun1()  基类引用指向派生类实例  Base::fun1()  基类指针指向派生类实例并调用虚函数  Derived::fun1()  基类引用指向基类实例并调用虚函数  Derived::fun1()  =======================  vptr_addr:0x401130  func_addr:0x400ea8  Derived::fun1()  =======================  vptr_addr:0x401130  func_addr:0x400ed4  DerivedClass::fun2()

我们发现C++的动态多态性是通过虚函数来实现的。简单的说，通过virtual函数，指向子类的基类指针可以调用子类的函数。例如，上述通过基类指针指向派生类实例，并调用虚函数，将上述代码简化为：

Base *pt = new Derived(); // 基类指针指向派生类实例  cout<<"基类指针指向派生类实例并调用虚函数"<<endl;  pt->fun1();

其过程为：首先程序识别出fun1()是个虚函数，其次程序使用pt->vptr来获取Derived的虚拟表。第三，它查找Derived虚拟表中调用哪个版本的fun1()。这里就可以发现调用的是Derived::fun1()。因此pt->fun1()被解析为Derived::fun1()!

除此之外，上述代码大家会看到，也包含了手动获取vptr地址，并调用vtable中的函数，那么我们一起来验证一下上述的地址与真正在自动调用vtable中的虚函数，比如上述pt->fun1()的时候，是否一致！

这里采用gdb调试，在编译的时候记得加上-g。

通过gdb vptr进入gdb调试页面，然后输入b Derived::fun1对fun1打断点，然后通过输入r运行程序到断点处，此时我们需要查看调用栈中的内存地址，通过disassemable fun1可以查看当前有关fun1中的相关汇编代码，我们看到了0x0000000000400ea8，然后再对比上述的结果会发现与手动调用的fun1一致，fun2类似，以此证明代码正确!

gdb调试信息如下：

(gdb) b Derived::fun1  Breakpoint 1 at 0x400eb4: file vptr1.cpp, line 23.  (gdb) r  Starting program: /home/light/Program/CPlusPlusThings/virtual/pure_virtualAndabstract_class/vptr  基类对象直接调用  Base::fun1()  基类引用指向派生类实例  Base::fun1()  基类指针指向派生类实例并调用虚函数    Breakpoint 1, Derived::fun1 (this=0x614c20) at vptr1.cpp:23  23                cout << "Derived::fun1()" << endl;  (gdb) disassemble fun1  Dump of assembler code for function Derived::fun1():     0x0000000000400ea8 <+0>:    push   %rbp     0x0000000000400ea9 <+1>:    mov    %rsp,%rbp     0x0000000000400eac <+4>:    sub    $0x10,%rsp     0x0000000000400eb0 <+8>:    mov    %rdi,-0x8(%rbp)  => 0x0000000000400eb4 <+12>:    mov    $0x401013,%esi     0x0000000000400eb9 <+17>:    mov    $0x602100,%edi     0x0000000000400ebe <+22>:    callq  0x4009d0 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>     0x0000000000400ec3 <+27>:    mov    $0x400a00,%esi     0x0000000000400ec8 <+32>:    mov    %rax,%rdi     0x0000000000400ecb <+35>:    callq  0x4009f0 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>     0x0000000000400ed0 <+40>:    nop     0x0000000000400ed1 <+41>:    leaveq     0x0000000000400ed2 <+42>:    retq  End of assembler dump.  (gdb) disassemble fun2  Dump of assembler code for function Derived::fun2():     0x0000000000400ed4 <+0>:    push   %rbp     0x0000000000400ed5 <+1>:    mov    %rsp,%rbp     0x0000000000400ed8 <+4>:    sub    $0x10,%rsp     0x0000000000400edc <+8>:    mov    %rdi,-0x8(%rbp)     0x0000000000400ee0 <+12>:    mov    $0x401023,%esi     0x0000000000400ee5 <+17>:    mov    $0x602100,%edi     0x0000000000400eea <+22>:    callq  0x4009d0 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>     0x0000000000400eef <+27>:    mov    $0x400a00,%esi     0x0000000000400ef4 <+32>:    mov    %rax,%rdi     0x0000000000400ef7 <+35>:    callq  0x4009f0 <_ZNSolsEPFRSoS_E@plt>     0x0000000000400efc <+40>:    nop     0x0000000000400efd <+41>:    leaveq     0x0000000000400efe <+42>:    retq  End of assembler dump.

好了，终于写完了，欢迎大家留言，一起探讨！