閱讀本文前最好已經讀過 理解程序內存 和 理解C++變量存儲模型 相關的內容, C++對象模型比較經典的書是《深度探索C++對象模型》, 但是書本的知識始終局限在理論上，熟話說“紙上得來終覺淺”，只有我們自已用工具經過驗證，我們才能真正的理解這些知識。下面我們用WinDbg為工具對C++對象模型進行探索。類對象實例究竟包含哪些東西
我們的例子代碼非常簡單:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
int main()
{
A* p = new A;
p->fun2();
system("pause");
return 0;
}
我們在main函數里 system("pause");的地方設置斷點，然后讓程序運行到這里。
輸入WinDbg命令?? sizeof(*p)讓他打印A對象的大小，輸出如下: 0:000> ?? sizeof(*p)
unsigned int 0xc
可以看到A的實例對象大小是 0xc = 12 字節接下來輸入WinDbg命令dt p讓他打印p所指下對象的內存布局, 輸出如下:0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type A*
0x00034600
+0x000 __VFN_table : 0x004161d8
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c3c0 A::s_nCount : 0n0
可以看到A的對象實例由虛表指針,m_cA, m_nA組成，正好是12字節(內部char作了4字節對齊)。最后一個靜態變量s_nCount的地址是0041c3c0, 我們可以通過命令!address 0041c3c0查看它所在地址的屬性, 結果如下:0:000> !address 0041c3c0
Usage: Image
Allocation Base: 00400000
Base Address: 0041b000
End Address: 0041f000
Region Size: 00004000
Type: 01000000 MEM_IMAGE
State: 00001000 MEM_COMMIT
Protect: 00000004 PAGE_READWRITE
More info: lmv m ConsoleTest
More info: !lmi ConsoleTest
More info: ln 0x41c3c0
可以看到類靜態變量被編譯在consoletest.exe可執行文件的 可讀寫數據節(.data)結論: C++中類實例對象由虛表指針和成員變量組成(一般最開始的4個字節是虛表指針)，而類靜態變量分布在PE文件的.data節中，與類實例對象無關。虛表位置和內容
根據+0x000 __VFN_table : 0x004161d8 繼續上面的調試，我們看到虛表地址是在0x004161d8, 輸入!address 0x004161d8, 查看虛表地址的屬性:0:000> !address 0x004161d8
Usage: Image
Allocation Base: 00400000
Base Address: 00416000
End Address: 0041b000
Region Size: 00005000
Type: 01000000 MEM_IMAGE
State: 00001000 MEM_COMMIT
Protect: 00000002 PAGE_READONLY
More info: lmv m ConsoleTest
More info: !lmi ConsoleTest
More info: ln 0x4161d8
可以看到類虛表被編譯在consoletest.exe可執行文件的 只讀數據節(.rdata)
接下來我們看下虛表中有哪些內容, 輸入dps 0x004161d8 查看虛表所在地址的符號，輸出如下:0:000> dps 0x004161d8
004161d8 00401080 ConsoleTest!A::fun2 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 13]
004161dc 004010a0 ConsoleTest!A::`scalar deleting destructor'
004161e0 326e7566
004161e4 00000000
我們可以看到虛表里正好包含了我們的2個虛函數fun2()和~A().另外我們也可以多new幾個A的實例試下，我們可以看到他們的虛表地址都是 0x004161d8。結論: C++中類的虛表內容由虛函數地址組成，虛表分布在PE文件的.rdata節，并且同一類的所有實例共享同一個虛表。
禁止生成虛表會怎樣
我們可以通過__declspec(novtable)來告訴編譯器不要生成虛表，ATL中大量應用這種技術來減小虛表的內存開銷，我們原來的代碼改成class __declspec(novtable) A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
繼續原來的方法調試，我們會看到一運行到p->fun2(), 程序就會Crash, 究竟是什么原因?用原來的?? sizeof(*p)命令，可以看到對象大小依然是12 字節， 輸入dt p, 輸出:0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type A*
0x00033e58
+0x000 __VFN_table : 0x00030328
+0x004 m_cA : 40 '('
+0x008 m_nA : 0n0
=0040dce0 A::s_nCount : 0n0
從上面可以看到虛表似乎依然存在， 但是再輸入dps 0x00030328 查看虛表內容, 你就會發現現在虛表內容果然已經不存在了:0:000> dps 0x00030328
00030328 00030328
0003032c 00030328
00030330 00030330
結論: 通過__declspec(novtable)，我們只能禁止編譯器生成虛表，但是不能阻止對象仍包含虛表指針(不能減小對象的大小)，也不能阻止程序對虛表的訪問（盡管實際虛表不存在），所以禁止生成虛表只適用于永遠不會實例化的類(基類)
單繼承對象內存模型
下面我們簡單的將上面的代碼改下下，讓B繼承A，并且重寫原來的虛函數fun2:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
class B: public A
{
public:
virtual void fun2() { cout << "fun2 in B"; }
virtual void fun3() { cout << "fun3 in B"; }
public:
int m_nB;
};
int main()
{
B* p = new B;
A* p1 = p;
p1->fun2();
system("pause");
return 0;
}
用原來的方法進行調試，查看B對象的內存布局0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type B*
0x00034640
+0x000 __VFN_table : 0x004161d8
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c3e0 A::s_nCount : 0n0
+0x00c m_nB : 0n0
可以看到B對象的大小是原來A對象的大小加4(m_nB), 總共是16字節，查看B的虛表內容如下:0:000> dps 0x004161d8
004161d8 00401080 ConsoleTest!B::fun2 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 26]
004161dc 004010c0 ConsoleTest!B::`scalar deleting destructor'
004161e0 004010a0 ConsoleTest!B::fun3 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 27]
004161e4 326e7566
可以看到虛表中保存的都是B的虛函數地址: fun2(), ~B(), fun3()結論: 單繼承時父類和子類共用同一虛表指針，而子類的數據被添加在父類數據之后，父類和子類的對象指針在相互轉化時值不變。多繼承對象內存模型
我們把上面的代碼改成多繼承的方式, class A, class B, 然后C繼承A和B:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in A";}
virtual void funA() {cout << "funA";}
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
class B
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in B";}
virtual void funB() {cout << "funB";}
int m_nB;
};
class C: public A, public B
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in C";};
virtual void funC(){cout << "funC";}
int m_nC;
};
int main()
{
C* p = new C;
B* p1 = p;
p->fun();
system("pause");
return 0;
}
0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type C*
0x00034600
+0x000 __VFN_table : 0x004161f4
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c4a0 A::s_nCount : 0n0
+0x00c __VFN_table : 0x004161e8
+0x010 m_nB : 0n0
+0x014 m_nC : 0n0
0:000> dps 0x004161f4
004161f4 004010f0 ConsoleTest!C::fun [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 33]
004161f8 004010b0 ConsoleTest!A::funA [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 16]
004161fc 00401130 ConsoleTest!C::`scalar deleting destructor'
00416200 00401110 ConsoleTest!C::funC [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 34]
0:000> dps 0x004161e8
004161e8 00402850 ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}'
004161ec 004010d0 ConsoleTest!B::funB [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 27]
004161f0 004187a0 ConsoleTest!C::`RTTI Complete Object Locator'
0:000> dt p1
Local var @ 0x13ff70 Type B*
0x0003460c
+0x000 __VFN_table : 0x004161e8
+0x004 m_nB : 0n0
另外我們上面要特別留意第二個虛表的第一個函數:
004161e8 00402850 ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}'我們發現這個函數不是我們真正的class C的fun函數:
004161f4 004010f0 ConsoleTest!C::fun [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 33]該函數地址是
00402850, 我們可以反匯編看下:0:000> u 00402850
ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}':
00402850 83e90c sub ecx,0Ch
00402853 e998e8ffff jmp ConsoleTest!C::fun (004010f0)
00402858 cc int 3
00402859 cc int 3
0040285a cc int 3
0040285b cc int 3
0040285c cc int 3
0040285d cc int 3
可以看到這個函數是編譯器生成的一個代理函數，它內部實現只是把我們B的this指針(ecx)加上12個字節的偏移后，然后再去調用我們真正的C的fun函數。
為什么會這樣呢？
因為class C的fun 內部在實現時假設的this指針都是它本身實例的起始地址，但是B指針并不符合這個要求，所以B的指針需要調整后才能去調用真正C的方法。
結論: 多重繼承時派生類和第一個基類公用一個虛表指針，他們的對象指針相互轉化時值不變；而其他基類(非第一個)和派生類的對象指針在相互轉化時有一定的偏移，他們內部虛表保存的函數指針并不一定是最終的實現的虛函數(可能是類似上面的一個代理函數)。
如何用虛表實現多態？
有了上面這些分析，這個咱們就不證明了，直接下結論吧。
結論: C++通過虛表來實現多態，派生類的虛表和基類的虛表根據索引依次保存相同的函數類型指針，但是這些函數指針最終指向他們各自最終的實現函數，調用虛函數時，我們只是根據函數所在虛表的索引來調用，所以他們可以在派生類中有各自不同的實現。
恩，有了前面的基礎，這個就當思考題吧...總之，拿著一把刀，庖丁解牛般的剖析語言背后的實現細節，看起來不是那么實用，但是它能讓你對語言的理解更深刻。實際上ATL中大量應用上面的技術，如果沒有對C++ 對象模型有比較深刻的理解，是很難深入下去的。
posted on 2012-09-21 23:02
Richard Wei 閱讀(4183)
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C++