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C++中new和delete的背后

關于 C++中new背后的行為，以前已經寫過一篇了理解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，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) //調用operator new分配大小為4字節的空間

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（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 //調用虛表內的第一個函數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 //調用虛表內的第二個函數（析構函數）

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造的B對象一共只有4個字節，而這四個字節包含的就是對象的虛表指針，對于C++對象內存布局，對于C++對象的內存布局，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多態的。

上面的代碼也告訴了我們為什么不能在構造函數里通過調用虛函數實現多態？因為虛表是在最終派生類的構造函數中生成的的，執行基類構造函數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：

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最終調用的是malloc，如果再深入下去，會發現malloc調用的是Kernel32!HeapAlloc，而HeapAlloc調用的又是ntdll!RtlAllocateHeap, 關于heap的布局和分配算法，可以看張銀奎的軟件調試

上面論證了new操作符背后的行為:

首先調用operator new分配空間，我們可以重載operator new, 定義自己的內存分配算法

然后在分配的空間上調用構造函數創建對象，構造函數內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調用的是虛表里的第二個函數，我們先看虛表內容：

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，一個是print, 還有一個是destructor, 我們看下第二個函數的內容：

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函數的代碼，還有一部分就是operator delete ( operator delete又會去調用free, free調用kernel32!HeapFree)。這里的 scalar deleting destructor顯然不是B的析構函數~B(), 這是編譯器幫我產生的一個函數，它就是給delete B類型對象用的。

接下來我們看看對于數組類型的指針， 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的析構函數

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

01181049 6a0a push 0Ah //10

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

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）

01181051 c7000a000000 mov dword ptr [eax],0Ah //頭四個字節寫入對象列表數量(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 //判斷對象數量是否為 0

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

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一個數組時，編譯器幫我們做了下面一些事情：

（1）調用數組的operator new[] 分配內存，大小為 4 + sizeof(object) * count, 其中頭四個字節為對象數量

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

其中 pFunDestructor為析構函數， pFunConstructor為構造函數， object_count為對象數量， 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，初始為0

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

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

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

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

01181492 ff5514 call dword ptr [ebp+14h] //調用構造函數

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

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

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，它的作用就是為數組中的每個對象都調用構造函數。

接下我們再看看數組形式的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 //判斷對象數量是否為 0

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

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, 然后調用對象虛表里的第二個函數，并且傳入參數是3，我們先看對象虛表內容：

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 //是否需要調用析構函數

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

可以看到它內部調用的是NewTest!`eh vector destructor iterator，而如果再跟蹤NewTest!`eh vector destructor iterator，

會看所有數組里的對象調用析構函數，最后調用operator delete[]釋放所有內存。

我們可以看到數組new[]和delete[]的關鍵是， C++編譯器在數組起始地址之前的4個字節保存了對象的數量N，后面會根據這個數量值進行N次的構造和析構。

最后申明下，上面的分析僅限于VS2008，實際上在符合C++標準的前提下，各個C++編譯器有各自不同的實現。

我們可以看到C++ 編譯器在背后干了很多事情，可能會內聯我們的函數，也可以修改和產生其他一些函數，而這是很多C開發者受不了的事情，所以在內核級別，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(5638) 評論(0) 編輯收藏引用所屬分類: 匯編

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