[转]探索C++虚函数在g++中的实现

为了探索C++虚函数的实现,我们首先编写几个用来测试的类,代码如下:

C++

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#include <iostream>

using namespace std;

class Base1
{
public:
virtual void f() {
cout << "Base1::f()" << endl;
}
};

class Base2
{
public:
virtual void g() {
cout << "Base2::g()" << endl;
}
};

class Derived : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void f() {
cout << "Derived::f()" << endl;
}

virtual void g() {
cout << "Derived::g()" << endl;
}

virtual void h() {
cout << "Derived::h()" << endl;
}
};

int main(int argc, char *argv[])
{
Derived ins;
Base1 &b1 = ins;
Base2 &b2 = ins;
Derived &d = ins;

b1.f();
b2.g();
d.f();
d.g();
d.h();
}

代码采用了多继承,是为了更多的分析出g++的实现本质,用UML简单的画一下继承关系:

示例代码UML图

代码的输出结果和预期的一致,C++实现了虚函数覆盖功能,代码输出如下:

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Derived::f()
Derived::g()
Derived::f()
Derived::g()
Derived::h()

开始分析!

我写这篇文章的重点是尝试解释g++编译在底层是如何实现虚函数覆盖和动态绑定的,因此我假定你已经明白基本的虚函数概念以及虚函数表(vtbl)和虚函数表指针(vptr)的概念和在继承实现中所承担的作用,如果你还不清楚这些概念,建议你在继续阅读下面的分析前先补习一下相关知识,陈皓的 《C++虚函数表解析》 系列是一个不错的选择。

通过本文,我将尝试解答下面这三个问题:

  1. g++如何实现虚函数的动态绑定?
  2. vtbl在何时被创建?vptr又是在何时被初始化?
  3. 在Linux中运行的C++程序虚拟存储器中,vptr、vtbl存放在虚拟存储的什么位置?

首先是第一个问题:

g++如何实现虚函数的动态绑定?

这个问题乍看简单,大家都知道是通过vptr和vtbl实现的,那就让我们刨根问底的看一看,g++是如何利用vptr和vtbl实现的。

第一步,使用 -fdump-class-hierarchy 参数导出g++生成的类内存结构:

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Vtable for Base1
Base1::_ZTV5Base1: 3u entries
0 (int (*)(...))0
4 (int (*)(...))(& _ZTI5Base1)
8 Base1::f

Class Base1
size=4 align=4
base size=4 base align=4
Base1 (0xb6acb438) 0 nearly-empty
vptr=((& Base1::_ZTV5Base1) + 8u)

Vtable for Base2
Base2::_ZTV5Base2: 3u entries
0 (int (*)(...))0
4 (int (*)(...))(& _ZTI5Base2)
8 Base2::g

Class Base2
size=4 align=4
base size=4 base align=4
Base2 (0xb6acb474) 0 nearly-empty
vptr=((& Base2::_ZTV5Base2) + 8u)

Vtable for Derived
Derived::_ZTV7Derived: 8u entries
0 (int (*)(...))0
4 (int (*)(...))(& _ZTI7Derived)
8 Derived::f
12 Derived::g
16 Derived::h
20 (int (*)(...))-0x000000004
24 (int (*)(...))(& _ZTI7Derived)
28 Derived::_ZThn4_N7Derived1gEv

Class Derived
size=8 align=4
base size=8 base align=4
Derived (0xb6b12780) 0
vptr=((& Derived::_ZTV7Derived) + 8u)
Base1 (0xb6acb4b0) 0 nearly-empty
primary-for Derived (0xb6b12780)
Base2 (0xb6acb4ec) 4 nearly-empty
vptr=((& Derived::_ZTV7Derived) + 28u)

如果看不明白这些乱七八糟的输出,没关系(当然能看懂更好),把上面的输出转换成图的形式就清楚了:

vptr和vtbl

其中有几点尤其值得注意:

  1. 我用来测试的机器是32位机,所有vptr占4个字节,每个vtbl中的函数指针也是4个字节
  2. 每个类的主要(primal)vptr放在类内存空间的起始位置(由于我没有声明任何成员变量,可能看不清楚)
  3. 在多继承中,对应各个基类的vptr按继承顺序依次放置在类内存空间中,且子类与第一个基类共用同一个vptr
  4. 子类中声明的虚函数除了覆盖各个基类对应函数的指针外,还额外添加一份到第一个基类的vptr中(体现了共用的意义)

有了内存布局后,接下来观察g++是如何在这样的内存布局上进行动态绑定的。

g++对每个类的指针或引用对象,如果是其类声明中虚函数,使用位于其内存空间首地址上的vptr寻找找到vtbl进而得到函数地址。如果是父类声明而子类未覆盖的虚函数,使用对应父类的vptr进行寻址。

先来验证一下,使用 objdump -S 得到 b1.f() 的汇编指令:

Assembly (x86)

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b1.f();
8048734: 8b 44 24 24 mov 0x24(%esp),%eax # 得到Base1对象的地址
8048738: 8b 00 mov (%eax),%eax # 对对象首地址上的vptr进行解引用,得到vtbl地址
804873a: 8b 10 mov (%eax),%edx # 解引用vtbl上第一个虚函数的地址
804873c: 8b 44 24 24 mov 0x24(%esp),%eax
8048740: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048743: ff d2 call *%edx # 调用函数

其过程和我们的分析完全一致,聪明的你可能发现了,b2怎么办呢?Derived类的实例内存首地址上的vptr并不是Base2类的啊!答案实际上是因为g++在引用赋值语句 Base2 &b2 = ins 上动了手脚:

Assembly (x86)

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Derived ins;
804870d: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax
8048711: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
8048714: e8 c3 01 00 00 call 80488dc <_ZN7DerivedC1Ev>
Base1 &b1 = ins;
8048719: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax
804871d: 89 44 24 24 mov %eax,0x24(%esp)
Base2 &b2 = ins;
8048721: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax # 获得ins实例地址
8048725: 83 c0 04 add $0x4,%eax # 添加一个指针的偏移量
8048728: 89 44 24 28 mov %eax,0x28(%esp) # 初始化引用
Derived &d = ins;
804872c: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax
8048730: 89 44 24 2c mov %eax,0x2c(%esp)

虽然是指向同一个实例的引用,根据引用类型的不同,g++编译器会为不同的引用赋予不同的地址。例如b2就获得一个指针的偏移量,因此才保证了vptr的正确性。

PS:我们顺便也证明了C++中的引用的真实身份就是指针…

接下来进入第二个问题:

vtbl在何时被创建?vptr又是在何时被初始化?

既然我们已经知道了g++是如何通过vptr和vtbl来实现虚函数魔法的,那么vptr和vtbl又是在什么时候被创建的呢?

vptr是一个相对容易思考的问题,因为vptr明确的属于一个实例,所以vptr的赋值理应放在类的构造函数中。 g++为每个有虚函数的类在构造函数末尾中隐式的添加了为vptr赋值的操作 。

同样通过生成的汇编代码验证:

Assembly (x86)

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class Derived : public Base1, public Base2
{
80488dc: 55 push %ebp
80488dd: 89 e5 mov %esp,%ebp
80488df: 83 ec 18 sub $0x18,%esp
80488e2: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
80488e5: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80488e8: e8 d3 ff ff ff call 80488c0 <_ZN5Base1C1Ev>
80488ed: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
80488f0: 83 c0 04 add $0x4,%eax
80488f3: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
80488f6: e8 d3 ff ff ff call 80488ce <_ZN5Base2C1Ev>
80488fb: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
80488fe: c7 00 48 8a 04 08 movl $0x8048a48,(%eax)
8048904: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax
8048907: c7 40 04 5c 8a 04 08 movl $0x8048a5c,0x4(%eax)
804890e: c9 leave
804890f: c3 ret

可以看到在代码中,Derived类的构造函数为实例的两个vptr赋初值,可是,这两个初值居然是立即数!立即数!立即数! 这说明了vtbl的生成并不是运行时的,而是在编译期就已经确定了存放在这两个地址上的 !

这个地址不出意料的属于.rodata(只读数据段),使用 objdump -s -j .rodata 提取出对应的内存观察:

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80489e0 03000000 01000200 00000000 42617365  ............Base
80489f0 313a3a66 28290042 61736532 3a3a6728 1::f().Base2::g(
8048a00 29004465 72697665 643a3a66 28290044 ).Derived::f().D
8048a10 65726976 65643a3a 67282900 44657269 erived::g().Deri
8048a20 7665643a 3a682829 00000000 00000000 ved::h()........
8048a30 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
8048a40 00000000 a08a0408 34880408 68880408 ........4...h...
8048a50 94880408 fcffffff a08a0408 60880408 ............`...
8048a60 00000000 c88a0408 08880408 00000000 ................
8048a70 00000000 d88a0408 dc870408 37446572 ............7Der
8048a80 69766564 00000000 00000000 00000000 ived............
8048a90 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
8048aa0 889f0408 7c8a0408 00000000 02000000 ....|...........
8048ab0 d88a0408 02000000 c88a0408 02040000 ................
8048ac0 35426173 65320000 a89e0408 c08a0408 5Base2..........
8048ad0 35426173 65310000 a89e0408 d08a0408 5Base1..........

由于程序运行的机器是小端机,经过简单的转换就可以得到第一个vptr所指向的内存中的第一条数据为0x80488834,如果把这个数据解释为函数地址到汇编文件中查找,会得到:

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08048834 <_ZN7Derived1fEv>:
};

class Derived : public Base1, public Base2
{
public:
virtual void f() {
8048834: 55 push %ebp
8048835: 89 e5 mov %esp,%ebp
8048837: 83 ec 18 sub $0x18,%esp

Bingo! g++在编译期就为每个类确定了vtbl的内容,并且在构造函数中添加相应代码使vptr能够指向已经填好的vtbl的地址 。

这也同时为我们解答了第三个问题:

在Linux中运行的C++程序虚拟存储器中,vptr、vtbl存放在虚拟存储的什么位置?

直接看图:

虚函数在虚拟存储器中的位置

图中灰色部分应该是你已经熟悉的,彩色部分内容和相关联的箭头描述了虚函数调用的过程(图中展示的是通过new在堆区创建实例的情况,与示例代码有所区别,小失误,不要在意): 当调用虚函数时,首先通过位于栈区的实例的指针找到位于堆区中的实例地址,然后通过实例内存开头处的vptr找到位于.rodata段的vtbl,再根据偏移量找到想要调用的函数地址,最后跳转到代码段中的函数地址执行目标函数 。

总结

研究这些问题的起因是因为公司代码出现了非常奇葩的行为,经过追查定位到虚函数表出了问题,因此才有机会脚踏实地的对虚函数实现进行一番探索。

也许你会想,即使我不明白这些底层原理,也一样可以正常的使用虚函数,也一样可以写出很好的面相对象的代码啊?

这一点儿也没有错,但是,C++作为全宇宙最复杂的程序设计语言,它提供的功能异常强大,无异于武侠小说中锋利无比的屠龙宝刀。但武功不好的菜鸟如果胡乱舞弄宝刀,却很容易反被其所伤。只有了解了C++底层的原理和机制,才能让我们把C++这把屠龙宝刀使用的更加得心应手,变化出更加华丽的招式,成为真正的武林高手。

本文转自http://blog.kongfy.com/2015/08/探索c虚函数在g中的实现/


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