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:%p\n",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:%p\n",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<<"基类引用指向基类实例"<<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<<"基类引用指向派生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.