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C++对象布局及多态实现之带虚函数的类

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如果类中存在虚函数时,情况会怎样呢?我们知道当一个类中有虚函数时,编译器会为该类产生一个虚函数表,并在它的每一个对象中插入一个指向该虚函数表的指针,通常这个指针是插在对象的起始位置。所谓的虚函数表实际就是一个指针数组,其中的指针指向真正的函数起始地址。我们来验证一下,定义一个无成员变量的类C040,内含一个虚函数。 

struct C040 

 virtual void foo() {} 
}; 

  运行如下代码打印它的大小及对象中的内容。 

PRINT_SIZE_DETAIL(C040) 

  结果为: 

The size of C040 is 4 
The detail of C040 is 40 b4 45 00 

  果然它的大小为4字节,即含有一个指针,指针指向的地址为0x0045b440。 

  同样再定义一个空类C050,派生自类C040。 

struct C050 : C040 
{}; 

  由于虚函数会被继承,且维持为虚函数。那么类C050的对象中同样应该含有一个指向C050的虚函数表的指针。 

  运行如下代码打印它的大小及对象中的内容。 

PRINT_SIZE_DETAIL(C050) 

  结果为: 

The size of C050 is 4 
The detail of C050 is 44 b4 45 00 

  果然它的大小也为4字节,即含有一个指向虚函数表(后称虚表)的指针(后称虚表指针)。 

  虚表是类级别的,类的所有对象共享同一个虚表。我们可以生成类C040的两个对象,然后通过观察对象的地址、虚表指针地址、虚表地址、及虚表中的条目的值(即所指向的函数地址)来进行验证。 

  运行如下代码: 

C040 obj1, obj2; 
PRINT_VTABLE_ITEM(obj1, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(obj2, 0, 0) 

  结果如下: 

obj1 : objadr:0012FDC4 vpadr:0012FDC4 vtadr:0045B440 vtival(0):0041D834 
obj2 : objadr:0012FDB8 vpadr:0012FDB8 vtadr:0045B440 vtival(0):0041D834 

  (注:第一列为对象名,第二列(objadr)为对象的内存地址,第三列(vpadr)为虚表指针地址,第四列(vtadr)为虚表的地址,第五列(vtival(n))为虚表中的条目的值,n为条目的索引,从0开始。后同) 

  果然对象地址不同,虚表指针(vpadr)位于对象的起始位置,所以它的地址和对象相同。两个对象的虚表指针指向的是同一个虚表,因此(vtadr)的值相同,虚表中的第一条目(vtival(0))的值当然也一样。 

  接下来,我们再观察类C040和从它派生的类C050的对象,这两个类各有自己的虚表,但由于C050没有重写继承自C040的虚函数,所以它们的虚表中的条目的值,即指向的虚函数的地址应该是一样的。 

  运行如下代码: 

C040 c040; 
C050 c050; 
PRINT_VTABLE_ITEM(c040, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c050, 0, 0) 

  结果为: 

c040 : objadr:0012FD4C vpadr:0012FD4C vtadr:0045B448 vtival(0):0041D834 
c050 : objadr:0012FD40 vpadr:0012FD40 vtadr:0045B44C vtival(0):0041D834 

  果然这次我们可以看到虽然前几列皆不相同,但最后一列的值相同。即它们共享同一个虚函数。 

  定义一个C043类,包含两个虚函数。再定义一个C071类,从C043派生,并重写继承的第一个虚函数。 

struct C043 

 virtual void foo1() {} 
 virtual void foo2() {} 
}; 
struct C071 : C043 

 virtual void foo1() {} 
}; 

  我们可以预料到,C043和C071各有一个包含两个条目的虚表,由于C071派生自C043,并且重写了第一个虚函数。那么这两个类的虚表的第一个条目值是不同的,而第二项应该是相同的。运行如下代码。 

C043 c043; 
C071 c071; 
PRINT_SIZE_DETAIL(C071) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c043, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c071, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c043, 0, 1) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c071, 0, 1) 

  结果为: 

The size of C071 is 4 
The detail of C071 is 5c b4 45 00 
c043 : objadr:0012FCD4 vpadr:0012FCD4 vtadr:0045B450 vtival(0):0041D4F1 
c071 : objadr:0012FCC8 vpadr:0012FCC8 vtadr:0045B45C vtival(0):0041D811 
c043 : objadr:0012FCD4 vpadr:0012FCD4 vtadr:0045B450 vtival(1):0041DFE1 
c071 : objadr:0012FCC8 vpadr:0012FCC8 vtadr:0045B45C vtival(1):0041DFE1 

  观察第1、2行的最后一列,即两个类的虚表的第一个条目,由于C071重写了foo1函数,所以这个值不一样。而第3、4行的最后一列为两个类的虚表的第二个条目,由于C071并没有重写它,所以这两个值是相同的。和我们之间的猜测是一致的。 

  接下来我们看看多重继承。定义两个类,各含一个虚函数,及一个数据成员。再从这两个类派生一个空子类。 

struct C041 

 C041() : c_(0x01) {} 
 virtual void foo() { c_ = 0x02; } 
 char c_; 
}; 
struct C042 

 C042() : c_(0x02) {} 
 virtual void foo2() {} 
 char c_; 
}; 
struct C051 : public C041, public C042 
{}; 

  运行如下代码: 

PRINT_SIZE_DETAIL(C041) 
PRINT_SIZE_DETAIL(C042) 
PRINT_SIZE_DETAIL(C051) 

  结果为: 

The size of C041 is 5 
The detail of C041 is 64 b3 45 00 01 
The size of C042 is 5 
The detail of C042 is 68 b3 45 00 02 
The size of C051 is 10 
The detail of C051 is 6c b4 45 00 01 68 b4 45 00 02 

  注意,首先我们观察C051的对象输出,发现它的大小为10字节,这说明它有两个虚表指针,从导出的内存数据我们可以推断,首先是一个虚表指针,然后是从C041继承的成员变量,值也是我们在C041的构造函数中赋的值0x01,然后又是一个虚表指针,再是从C042继承的成员变量,值为0x02。 

  为了验证,我们再运行如下代码: 

C041 c041; 
C042 c042; 
C051 c051; 
PRINT_VTABLE_ITEM(c041, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c042, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c051, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c051, 5, 0) 

  注意最后一行的第二个参数,5。它是从对象起始地址开始到虚表指针的偏移值(按字节计算),从上面的对象内存输出我们看到C041的大小为5字节,因此C051中第二个虚表指针的起始位置距对象地址的偏移为5字节。输出的结果为: 

  (注:这个偏移值是通过观察而判断出来的,并不通用,而且它依赖于我们前面所说的编译器在生成代码时所用的结构成员对齐方式,我们将这个值设为1。如果设为其他值会影响对象的大小及这个偏移值。参见第一篇起始处的说明。下同。) 

c041 : objadr:0012FB88 vpadr:0012FB88 vtadr:0045B364 vtival(0):0041DF1E 
c042 : objadr:0012FB78 vpadr:0012FB78 vtadr:0045B368 vtival(0):0041D43D 
c051 : objadr:0012FB64 vpadr:0012FB64 vtadr:0045B46C vtival(0):0041DF1E 
c051 : objadr:0012FB64 vpadr:0012FB69 vtadr:0045B468 vtival(0):0041D43D 

  这下我们可以看到C051的两个虚表指针指向两个不现的虚表(第3、4行的vtadr列),而虚表中的条目的值分别等于C041和C042(即它的两个父类)的虚表条目的值(第1、3行和2、4行的vtival列的值相同)。 

  为什么子类要有两个虚表,而不是将它们合并为一个。主要是在处理类型的动态转换时这种对象布局更方便调整指针,后面我们看到这样的例子。 

  如果子类重写父类的虚函数会怎么样?前面的类C071我们已经看到过一次了。我们再定义一个从C041和C042派生的类C082,并重写这两个父类中的虚函数,同时再增加一个虚函数。 

struct C041 

 C041() : c_(0x01) {} 
 virtual void foo() { c_ = 0x02; } 
 char c_; 
}; 
struct C042 

 C042() : c_(0x02) {} 
 virtual void foo2() {} 
 char c_; 
}; 
struct C082 : public C041, public C042 

 C082() : c_(0x03) {} 
 virtual void foo() {} 
 virtual void foo2() {} 
 virtual void foo3() {} 
 char c_; 
}; 

  运行和上面类似的代码: 

PRINT_SIZE_DETAIL(C082) 
C041 c041; 
C042 c042; 
C082 c082; 
PRINT_VTABLE_ITEM(c041, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c042, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c082, 0, 0) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c082, 5, 0) 

  结果为: 

The size of C082 is 11 
The detail of C082 is 70 b3 45 00 01 6c b3 45 00 02 03 
c041 : objadr:0012FA74 vpadr:0012FA74 vtadr:0045B364 vtival(0):0041DF1E 
c042 : objadr:0012FA64 vpadr:0012FA64 vtadr:0045B368 vtival(0):0041D43D 
c082 : objadr:0012FA50 vpadr:0012FA50 vtadr:0045B370 vtival(0):0041D87A 
c082 : objadr:0012FA50 vpadr:0012FA55 vtadr:0045B36C vtival(0):0041D483 

  果然C082的两个虚表中的条目值都和父类的不一样了(vtival列),指向了重写后的新函数地址。观察C082的大小和对象内存,我们可以知道它并没有为新定义的虚函数foo3生成新的虚表。那么foo3的函数地址到底是加到了类的第一个虚表,还是第二个虚表中?在调试状态下,我们在“局部变量”窗口中展开c082对象。我们可以看到两个虚表及其中的条目,但两个虚表都只能看到第一个条目。这应该是VC7.1IDE的一个小BUG。看来我们只有另想办法来验证。我们先把两个虚表中的第二个条目位置上的值打印出来。运行如下代码。 

PRINT_VTABLE_ITEM(c082, 0, 1) 
PRINT_VTABLE_ITEM(c082, 5, 1) 

  结果如下: 

c082 : objadr:0012FA50 vpadr:0012FA50 vtadr:0045B370 vtival(1):0041D32F 
c082 : objadr:0012FA50 vpadr:0012FA55 vtadr:0045B36C vtival(1):0041D87A 

  然后我们调用一下foo3函数: 

c082.foo3(); 

  查看它的汇编代码: 

004225F3 lea ecx,[ebp+FFFFFB74h] 
004225F9 call 0041D32F 

  第2条call指令后的地址就是foo3的函数地址了(实际上是一个跳转指令),对照前面的输出我们就可以知道,子类新定义的虚函数对应的虚表条目加入到了子类的第一个虚表中,并位于继承自父类的虚表条目之后。 

Tags:函数 布局 对象
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