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C++中new和delete的背后

關(guān)于 C++中new背后的行為，以前已經(jīng)寫過一篇了理解C++中new背后的行為, 但是里面也只是泛泛而談，沒有真憑實據(jù)，下面我們從匯編的角度看C++編譯器究竟在背后干了什么？

我們的代碼很簡單，如下：

#include <iostream>

class A

{

public:

virtual void print()

{

std::cout << 10;

}

virtual ~A()

{

std::cout << "~A()";

}

};

class B: public A

{

public:

virtual void print()

{

std::cout << 100;

}

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

A* p = new B();

p->print();

delete p;

return 0;

}

我用WinDbg可以看到main函數(shù)生成的匯編代碼如下：

NewTest!wmain:

00aa1020 56 push esi

00aa1021 6a04 push 4

00aa1023 e8b4030000 call NewTest!operator new (00aa13dc) //調(diào)用operator new分配大小為4字節(jié)的空間

00aa1028 83c404 add esp,4

00aa102b 85c0 test eax,eax

00aa102d 740a je NewTest!wmain+0x19 (00aa1039)

00aa102f c7005421aa00 mov dword ptr [eax],offset NewTest!B::`vftable' (00aa2154) //將虛表地址寫入對象地址的頭4個字節(jié)（虛表指針）

00aa1035 8bf0 mov esi,eax

00aa1037 eb02 jmp NewTest!wmain+0x1b (00aa103b)

00aa1039 33f6 xor esi,esi

00aa103b 8b06 mov eax,dword ptr [esi]

00aa103d 8b10 mov edx,dword ptr [eax]

00aa103f 8bce mov ecx,esi

00aa1041 ffd2 call edx //調(diào)用虛表內(nèi)的第一個函數(shù)print

00aa1043 8b06 mov eax,dword ptr [esi]

00aa1045 8b5004 mov edx,dword ptr [eax+4]

00aa1048 6a01 push 1

00aa104a 8bce mov ecx,esi

00aa104c ffd2 call edx //調(diào)用虛表內(nèi)的第二個函數(shù)（析構(gòu)函數(shù)）

00aa104e 33c0 xor eax,eax

00aa1050 5e pop esi

00aa1051 c3 ret

00aa1052 cc int 3

從上面代碼中我們可以看到我們構(gòu)造的B對象一共只有4個字節(jié)，而這四個字節(jié)包含的就是對象的虛表指針，對于C++對象內(nèi)存布局，對于C++對象的內(nèi)存布局，可以看我這篇探索C++對象模型。同時我們可以看到， C++里確實是通過虛表來實現(xiàn)多態(tài)的。

上面的代碼也告訴了我們?yōu)槭裁床荒茉跇?gòu)造函數(shù)里通過調(diào)用虛函數(shù)實現(xiàn)多態(tài)？因為虛表是在最終派生類的構(gòu)造函數(shù)中生成的的，執(zhí)行基類構(gòu)造函數(shù)時虛表都還沒有生成。

接下來我們看看operator new背后的行為：

0:000> u 00aa13dc

NewTest!operator new:

00aa13dc ff25cc20aa00 jmp dword ptr [NewTest!_imp_??2YAPAXIZ (00aa20cc)]

里面是一個直接跳轉(zhuǎn)：

0:000> u poi(00aa20cc) L10

MSVCR90!operator new:

74603e99 8bff mov edi,edi

74603e9b 55 push ebp

74603e9c 8bec mov ebp,esp

74603e9e 83ec0c sub esp,0Ch

74603ea1 eb0d jmp MSVCR90!operator new+0x17 (74603eb0)

74603ea3 ff7508 push dword ptr [ebp+8]

74603ea6 e859dcfbff call MSVCR90!_callnewh (745c1b04)

74603eab 59 pop ecx

74603eac 85c0 test eax,eax

74603eae 740f je MSVCR90!operator new+0x26 (74603ebf)

74603eb0 ff7508 push dword ptr [ebp+8]

74603eb3 e887feffff call MSVCR90!malloc (74603d3f)

74603eb8 59 pop ecx

74603eb9 85c0 test eax,eax

74603ebb 74e6 je MSVCR90!operator new+0xa (74603ea3)

74603ebd c9 leave

我們可以看到operator new最終調(diào)用的是malloc，如果再深入下去，會發(fā)現(xiàn)malloc調(diào)用的是Kernel32!HeapAlloc，而HeapAlloc調(diào)用的又是ntdll!RtlAllocateHeap, 關(guān)于heap的布局和分配算法，可以看張銀奎的軟件調(diào)試

上面論證了new操作符背后的行為:

首先調(diào)用operator new分配空間，我們可以重載operator new, 定義自己的內(nèi)存分配算法

然后在分配的空間上調(diào)用構(gòu)造函數(shù)創(chuàng)建對象，構(gòu)造函數(shù)內(nèi)部可能會賦值虛表指針。

接下來我們看下delete背后的行為。

我們看到delete調(diào)用的是虛表里的第二個函數(shù)，我們先看虛表內(nèi)容：

0:000> dps 00aa2154

00aa2154 00aa1010 NewTest!B::print [f:\test\newtest\newtest\newtest.cpp @ 26]

00aa2158 00aa1060 NewTest!B::`scalar deleting destructor'

00aa215c 00000000

00aa2160 00000048

00aa2164 00000000

上面看到虛表里有2個函數(shù)，一個是print, 還有一個是destructor, 我們看下第二個函數(shù)的內(nèi)容：

0:000> u 00aa1060 L10

NewTest!B::`scalar deleting destructor':

00aa1060 56 push esi

00aa1061 8bf1 mov esi,ecx

00aa1063 c7064821aa00 mov dword ptr [esi],offset NewTest!A::`vftable' (00aa2148)

00aa1069 a15820aa00 mov eax,dword ptr [NewTest!_imp_?coutstd (00aa2058)]

00aa106e 50 push eax

00aa106f e84c010000 call NewTest!std::operator<<<std::char_traits<char> > (00aa11c0)

00aa1074 83c404 add esp,4

00aa1077 f644240801 test byte ptr [esp+8],1

00aa107c 7409 je NewTest!B::`scalar deleting destructor'+0x27 (00aa1087)

00aa107e 56 push esi

00aa107f e806030000 call NewTest!operator delete (00aa138a)

00aa1084 83c404 add esp,4

00aa1087 8bc6 mov eax,esi

00aa1089 5e pop esi

00aa108a c20400 ret 4

我們可以看到虛表里放的是 B 的 scalar deleting destructor , 它里面包含兩部分代碼，一個是我們真正定義的析構(gòu)函數(shù)的代碼，還有一部分就是operator delete ( operator delete又會去調(diào)用free, free調(diào)用kernel32!HeapFree)。這里的 scalar deleting destructor顯然不是B的析構(gòu)函數(shù)~B(), 這是編譯器幫我產(chǎn)生的一個函數(shù)，它就是給delete B類型對象用的。

接下來我們看看對于數(shù)組類型的指針， C++編譯器背后是如何處理的，把代碼改成如下：

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

A* p = new A[10];

delete []p;

return 0;

}

下面是生成的匯編代碼：

NewTest!wmain:

01181030 6a2c push 2Ch

01181032 e8c4030000 call NewTest!operator new[] (011813fb) //通過operator new分配44自己

01181037 83c404 add esp,4

0118103a 85c0 test eax,eax

0118103c 7444 je NewTest!wmain+0x52 (01181082)

0118103e 56 push esi

0118103f 6810101801 push offset NewTest!A::~A (01181010) //A的析構(gòu)函數(shù)

01181044 6800111801 push offset NewTest!A::A (01181100) //A的構(gòu)造函數(shù)

01181049 6a0a push 0Ah //10

0118104b 8d7004 lea esi,[eax+4] //跨過了頭四個字節(jié)

0118104e 6a04 push 4 //對象大小

01181050 56 push esi //esi里放的是對象列表的起始地址（跨過了頭四個字節(jié)）

01181051 c7000a000000 mov dword ptr [eax],0Ah //頭四個字節(jié)寫入對象列表數(shù)量(10)

01181057 e812040000 call NewTest!`eh vector constructor iterator' (0118146e)

0118105c 85f6 test esi,esi

0118105e 7421 je NewTest!wmain+0x51 (01181081)

01181060 837efc00 cmp dword ptr [esi-4],0 //判斷對象數(shù)量是否為 0

01181064 8d46fc lea eax,[esi-4] //包含對象數(shù)量的地址保存到 eax

01181067 740f je NewTest!wmain+0x48 (01181078)

01181069 8b06 mov eax,dword ptr [esi] //取A的虛表地址

0118106b 8b5004 mov edx,dword ptr [eax+4] //虛表里的第二個函數(shù)

0118106e 6a03 push 3

01181070 8bce mov ecx,esi

01181072 ffd2 call edx

01181074 5e pop esi

01181075 33c0 xor eax,eax

01181077 c3 ret

重點看上面紅色的代碼，我們可以看到，在new一個數(shù)組時，編譯器幫我們做了下面一些事情：

（1）調(diào)用數(shù)組的operator new[] 分配內(nèi)存，大小為 4 + sizeof(object) * count, 其中頭四個字節(jié)為對象數(shù)量

（2）調(diào)用NewTest!`eh vector constructor iterator（pArrayAddress, sizeof(object), object_count, pFunConstructor， pFunDestructor),

其中 pFunDestructor為析構(gòu)函數(shù)， pFunConstructor為構(gòu)造函數(shù)， object_count為對象數(shù)量， sizeof(object)為對象大小，pArrayAddress為起始地址。，

下面我們反匯編 NewTest!`eh vector constructor iterator：

0:000> u 0118146e L50

NewTest!`eh vector constructor iterator':

0118146e 6a10 push 10h

01181470 6890221801 push offset NewTest!__rtc_tzz+0x8 (01182290)

01181475 e8d2040000 call NewTest!__SEH_prolog4 (0118194c)

0118147a 33c0 xor eax,eax

0118147c 8945e0 mov dword ptr [ebp-20h],eax

0118147f 8945fc mov dword ptr [ebp-4],eax

01181482 8945e4 mov dword ptr [ebp-1Ch],eax

01181485 8b45e4 mov eax,dword ptr [ebp-1Ch] //臨時計數(shù)，初始為0

01181488 3b4510 cmp eax,dword ptr [ebp+10h] //將臨時計數(shù)和對象數(shù)量比較

0118148b 7d13 jge NewTest!`eh vector constructor iterator'+0x32 (011814a0) //如果臨時計數(shù)大于對象數(shù)量則退出循環(huán)

0118148d 8b7508 mov esi,dword ptr [ebp+8] //保存第一個參數(shù)(起始地址)到 esi

01181490 8bce mov ecx,esi //賦this指針到ecx

01181492 ff5514 call dword ptr [ebp+14h] //調(diào)用構(gòu)造函數(shù)

01181495 03750c add esi,dword ptr [ebp+0Ch] //移動指針，加上對象大小

01181498 897508 mov dword ptr [ebp+8],esi //保存新對象地址到第一個參數(shù)

0118149b ff45e4 inc dword ptr [ebp-1Ch] //增加臨時計數(shù)

0118149e ebe5 jmp NewTest!`eh vector constructor iterator'+0x17 (01181485)

011814a0 c745e001000000 mov dword ptr [ebp-20h],1

011814a7 c745fcfeffffff mov dword ptr [ebp-4],0FFFFFFFEh

011814ae e808000000 call NewTest!`eh vector constructor iterator'+0x4d (011814bb)

011814b3 e8d9040000 call NewTest!__SEH_epilog4 (01181991)

011814b8 c21400 ret 14h

我們可以看到NewTest!`eh vector constructor iterator是編譯器幫我們生成的函數(shù)，它的作用就是為數(shù)組中的每個對象都調(diào)用構(gòu)造函數(shù)。

接下我們再看看數(shù)組形式的delete []在背后究竟干了什么？

重點看上面紫色的代碼：

NewTest!wmain:

....

01181060 837efc00 cmp dword ptr [esi-4],0 //判斷對象數(shù)量是否為 0

01181064 8d46fc lea eax,[esi-4] //包含對象數(shù)量的地址保存到 eax

01181067 740f je NewTest!wmain+0x48 (01181078)

01181069 8b06 mov eax,dword ptr [esi] //取A的虛表地址

0118106b 8b5004 mov edx,dword ptr [eax+4] //虛表里的第二個函數(shù)

0118106e 6a03 push 3

01181070 8bce mov ecx,esi

01181072 ffd2 call edx

....

可以看到它將對象列表起始地址保存到ecx, 然后調(diào)用對象虛表里的第二個函數(shù)，并且傳入?yún)?shù)是3，我們先看對象虛表內(nèi)容：

0:000> dps 01182148

01182148 01181000 NewTest!A::print [f:\test\newtest\newtest\newtest.cpp @ 11]

0118214c 01181090 NewTest!A::`vector deleting destructor'

我們看看該函數(shù)究竟干了什么：

0:000> u 01181090 L40

NewTest!A::`vector deleting destructor':

01181090 53 push ebx

01181091 8a5c2408 mov bl,byte ptr [esp+8]

01181095 56 push esi

01181096 8bf1 mov esi,ecx

01181098 f6c302 test bl,2 //是否需要調(diào)用析構(gòu)函數(shù)

0118109b 742b je NewTest!A::`vector deleting destructor'+0x38 (011810c8)

0118109d 8b46fc mov eax,dword ptr [esi-4]

011810a0 57 push edi

011810a1 6810101801 push offset NewTest!A::~A (01181010)

011810a6 8d7efc lea edi,[esi-4]

011810a9 50 push eax

011810aa 6a04 push 4

011810ac 56 push esi

011810ad e87f040000 call NewTest!`eh vector destructor iterator' (01181531)

011810b2 f6c301 test bl,1 //是否需要釋放內(nèi)存

011810b5 7409 je NewTest!A::`vector deleting destructor'+0x30 (011810c0)

011810b7 57 push edi

011810b8 e85f030000 call NewTest!operator delete[] (0118141c)

011810bd 83c404 add esp,4

011810c0 8bc7 mov eax,edi

011810c2 5f pop edi

011810c3 5e pop esi

011810c4 5b pop ebx

011810c5 c20400 ret 4

可以看到它內(nèi)部調(diào)用的是NewTest!`eh vector destructor iterator，而如果再跟蹤NewTest!`eh vector destructor iterator，

會看所有數(shù)組里的對象調(diào)用析構(gòu)函數(shù)，最后調(diào)用operator delete[]釋放所有內(nèi)存。

我們可以看到數(shù)組new[]和delete[]的關(guān)鍵是， C++編譯器在數(shù)組起始地址之前的4個字節(jié)保存了對象的數(shù)量N，后面會根據(jù)這個數(shù)量值進行N次的構(gòu)造和析構(gòu) 。

最后申明下，上面的分析僅限于VS2008，實際上在符合C++標(biāo)準(zhǔn)的前提下，各個C++編譯器有各自不同的實現(xiàn)。

我們可以看到C++ 編譯器在背后干了很多事情，可能會內(nèi)聯(lián)我們的函數(shù)，也可以修改和產(chǎn)生其他一些函數(shù)，而這是很多C開發(fā)者受不了的事情，所以在內(nèi)核級別，很多人寧愿用C來減少編譯器背后的干擾。

最后思考一下，如果我們代碼這樣寫，會怎么樣？

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

A* p = new B[10];

delete []p;

return 0;

}

答案請看這里

posted on 2013-11-17 21:17 Richard Wei 閱讀(5650) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: 匯編

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