引言

最近把《深度探索c++對象模型》讀了幾遍，收獲甚大。明白了很多以前知其然卻不知其所以然的姿勢。比如構造函數與拷貝構造函數什麼時候被編譯器合成，虛函數、實例函數、類函數的區別等等。在此，我根據書本上的描述，結合VS2012的C++編譯器，來驗證其內容的正確性。讓我們一起以指針尋址、虛函數表等理論作為依據，以匯編代碼來實證，探索C++多態的實現。

    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    



談到多態，就不得不聊聊虛函數表了，有關虛函數表的內存布局請點擊這。但是虛函數表是怎麼創建的？又是怎麼使用的？虛函數表裡都是函數的指針，怎麼找到欲對應的函數指針？下面，我們從最基本的指針尋址開始，一步步解答這些問題。

指針類型的作用

當我們寫定義一個指針時，其對應的類型大小，便是其指向的內存范圍的大小，例如int *pi， pi指向的是一塊sizoef(int)大小的內存，char *pc;則指向的是一塊sizeof(char)大小的內存。為什麼要知道其指向的內存大小？舉個例子，如下圖：




    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    



運行時，可以觀察兩個指針指向的地址，及其指向地址處的內存數據：




    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    



Test類中，僅包含了四個int，此時sizeof(Test) == sizoef(int) * 4。注意，在此處，我們沒有為其定義構造函數以及copy構造函數。而且因為類中沒有virtual函數也沒有有構造函數的數據成員，編譯器也不會為這個類合成構造函數與copy構造函數。在上述最後一行代碼中，通過*pt取值，應該會有 4個類似mov dword ptr的操作。我們來看看生成的匯編代碼：




    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    


    



我們再來看看他們的地址：



這是神馬情況？我們明明把d的地址賦給了pAB呀！！！這不科學。我們一起去匯編代碼裡找原因去：



基本得到的信息與上面地址值對應：pAB中存的地址比d對象的地址大4個字節，然後以pAB中存的地址作為指針，輾轉兩次調用虛函數。很顯然，這個+4的操作是編譯器幫我們生成的，那麼為什麼要+4呢？我們來看一下派生類的對象內存布局：



這個對象有兩個虛函數表，畫出來應該是這樣：





作為對比，我們來看下Derived對象自己來調用虛函數時，是個什麼情況：



以Derived對象的指針來調用虛函數時，是個什麼情況：



在這裡，我們看到派生類對象無論是通過指針還是直接調用虛函數，其this參數，都會+4，即派生類包含該基類的內存布局的偏移。看來，調用虛函數時，總是以基類的“身份”去調用的。

現在，我們知道是如何調用到虛函數的了。但是還有個疑問：如果在派生類Derived中定義一個數據成員，並在虛函數中使用。那麼基類的指針，如何尋址到該地址呢？畢竟尋址范圍是根據指針類型來確定的。讓我們一起去探索這最後的疑問：





分析圖如下：



搞到最後，才發現調用虛函數的，其實一直是基類的指針。只是在對應的派生類虛函數實現裡，修正了基類指針相對於派生類對象首地址的偏移。

總結

要實現多態，需要這麼多的工具配合：虛表機制；派生類對象賦值給基類對象時，編譯器添加指針相對偏移代碼；虛函數內，編譯器生成相應的偏移指針調用派生類數據成員的代碼。多態，用起來輕快方便，實現起來難呀！

發現了個VS的bug，如果在調用虛函數時，this指針的值會在保存寄存器值後，無緣無故改變。變成對象的地址。其實是個假的值，查看內存即可知道。有可能是為了在調試時對用戶透明故意為之，以免普通用戶奇怪：居然this指針的值與對象值不同，囧…Orz。