探秘C++機制的實現

    我曾經自學過C++，現在回想起來，當時是什么都不懂。說不上能使用C++，倒是被C++牽着鼻子走了。高中搞NOIP並不允許使用STL庫，比賽中C++面向對象的機制基本沒有什么用武之地，所以高中搞NOIP名為用C++，其實就是c加上了cout和cin。

    前幾天看韓老師的《老碼識途》，里面記錄了一些C++面向對象機制的探索，又勾起了我的興趣。而這個學期自學了匯編，又給了我自己動手探索提供了能力基礎，自己上手以后，從一個更加底層的視角看C++機制的實現，讓我在黑暗中摸到了馴服C++的韁繩。

引用：

本質上是指針，這一點即使大家沒有看反匯編應該也是猜到了。

 

對象在內存上的布局：

class Father
{
    int iA_;
    int iB_;

    void FuncA();
    void FuncB();
};

class Child : Father
{
    int iC_;
    void FuncC();
};

一個Father對象里只包含 (低地址 –> 高地址) : iA_,iB_。也就是一個Father對象的大小是8個字節，函數並不會占用內存空間。
為什么不會？

其實類的成員函數可以看做本質上與普通函數相同。

編譯器在編譯的時候就知道函數的位置，所以調用普通函數的時候會直接 call 函數地址(偏移)。也就是被硬編碼了，函數的地址是固定的( 不考慮重定位之類的情況 )。

而成員函數的調用也是如此，只是編譯器還多做了一件事情，就是判斷這個對象有沒有調用這個函數的“權限”（函數不是你聲明的，當然無權調用），“權限”不夠就會報錯，告訴那個對象類型沒有這個方法。

所以，類對象的大小與這個類的方法數多少是沒關系的。成員函數和普通函數本質上一樣，實現這個機制，要靠編譯器來做工作。

 

this指針：

成員函數與普通函數不同之處之一就是訪問對象的數據。

要訪問一個對象的元素，說白了就是要找到這個元素所在的內存位置，也就是要有指針。

我們沒有看到傳遞this指針，因為這件事又是編譯器幫我們做了。

反匯編會看到對象調用一個方法的時候，會將這個對象的首部地址賦值給ecx寄存器，通過寄存器來傳遞this指針。

我們在成員函數里可以不需明寫this指針地調用對象元素，還是因為編譯器幫我們多做了一步“翻譯”。

 

私有化：

不多說，就是編譯器在編譯階段通過源碼來判斷某個元素是不是能夠被訪問，某個方法是不是能夠被調用，運行的時候並不會有訪問限制。看代碼：

#include <stdio.h>

class Exp
{
    int iA_;
    int iB_;

public:
    Exp()
    {
        iA_ = iB_ = 0;
    }
    void Out()
    {
        printf("%d \t %d \n",iA_,iB_);
    }
};

int main()
{
    Exp oA;
    void *pC = &oA;

    oA.Out();
    *(int*)pC = 1;
    *(int*)((int)pC+4) = 2;
    oA.Out();

    return 0;
}

結果是： 0    0

             1    2

雖然 iA_,iB_是私有的，但是還是被外界修改了。因為編譯器無法知道我干了這事(顯式的 oA.iA_ = 1 就被發現了哈)

 

構造與析構：

說道底還是編譯器幫我們在多做了一些工作，生成了一些額外代碼。

需要注意的是：

void Test( Father oP )
{
}

int main()
{
    Father oA;
    Test(oA);
    return 0;
}

 

會調用拷貝構造函數。

 

重載：

一樣還是編譯器的功勞，C++最后生成的函數名是與參數有關的，所以又不同參數的函數最后生成的函數名不同，看似同名，實則不同。在函數調用的時候，編譯器會判斷參數的類型，相應的可以生成一個函數名進行“匹配”。( 當然不止這么簡單，還會考慮發生類型轉換的情況 )

 

繼承：

從內存布局的角度上看

struct Child : Father

和

struct Child
{
    Father o;
    //other
};

 

相同（虛函數情況后面討論）。子類的前面部分和父類是一樣的。

所以一個接受 Father * 參數的函數可以接受 Child *參數，而且轉換是安全的。

有 Father & 類型參數的函數可以接受 Child &,但是繼承方式要public。But , why ?

protected和private繼承模式，子類繼承的父類的接口對外都是隱藏的，所以以一個Father &傳入的參數所有的方法元素原則上是不可用的，用了肯定是違反規則的，編譯器判定這一點，所以報錯。

 

虛函數：

比較特別的是這個。

Question:為什么需要虛函數？

網上看到的答案：基類可以通過虛函數對子類的相識功能進行管理。（我的C++primer被借走以后就此失蹤，所以只能網上找了）。

虛函數具體怎么回事就不細說了，討論一下背后的機制。

為了能夠實現虛函數，每個有虛函數的類有一張對應的虛表。這個虛表儲存在只讀內存區，記錄了對應函數的地址。（PS:一個類就只有一個虛表）

每個類對象都要保存一個虛表指針，保存本類的虛表地址。所以你使用 Father *指針指向一個Child對象，調用的虛函數是Child的。

虛表指針保存在每個對象的首部。

class Child : Father
{
    int iC_;
    void FuncC();
    virtual void VF();
};

現在這個Child對象較前面的多了四個字節。內存布局（從低地址到高地址）是：虛表指針__vfptr,iA_,iB_,iC_。

好。問題來了，Child繼承了Father，但是Father的函數並沒有為Child再量身定做一次，也就是說無論是Father對象還是Child對象，他們調用FuncA()都是同一個函數。但是Father並沒有__vfptr，Child對象在頭部多了這個，FuncA()中用this指針定位iA_和iB_不是都不正確嗎？

現象告訴我們FuncA()是可以正確訪問iA_和iB_，所以推測Child對象在調用FuncA的時候，傳的不是真正的首部地址，而是往后偏移了四個字節。

反匯編，確實如此。這么說Father類里不能調用虛函數了？當然，Father都還不知道虛函數這回事，怎么在FuncA中調用。

還有一個有趣的現象：

#include <stdio.h>

class Base
{
public:
    virtual void ShowID()
    {
        printf("Base\n");
    }
};

class CB : public Base
{
public:
    virtual void ShowID()
    {
        printf("CB\n");
    }
};

class CC : public Base
{
public:
    virtual void ShowID()
    {
        printf("CC\n");
    }
};

void Test( CB& oB )
{
    oB.ShowID();
}

int main()
{
    Base oBase;
    CB    oB;
    CC    oC;

    CB* pCB = &oB;

    *(int*)(&oB) = *(int*)(&oC);    //修改虛表指針
    oB.ShowID();
    ((CB*)(&oB))->ShowID();
    pCB->ShowID();
    Test(oB);

    return 0;
}

猜猜結果啊，買定離手。

結果是：CB   CB   CC    CC

在43行的地方，修改了oB的虛表指針，讓其指向CC類的虛表。

但是oB.ShowID()沒理會我們的修改，還是調用CB類的ShowID。反匯編，發現他沒走“獲取虛表指針，在虛表中得到相應的函數地址”這一套，直接調用了。因為一般人不會閑着蛋疼去改對象的虛表指針的，對象的類型是明確的，編譯器可以通過這些信息確定調用的函數地址，所以沒必要走他一套，這樣效率還更高。

而pCB->ShowID()就不同了，他很乖地地走了流程，因為一個父類指針可以指向一個子類對象，編譯器無法找信息，所以走流程。

那現在糾結了，為神馬 ((CB*)(&oB))->ShowID() 輸出CB。

反匯編看，發現編譯器又擅自做主，沒有走指針的流程。

那你猜猜((Base*)(&oB))->ShowID();輸出的是什么？CC。

比較二者的差異，可以大概發現一些端倪，什么時候走流程，什么時候不走。

最后是Test(oB)了，前面說過引用的本質是指針，所以這個結果很好理解。

還有，想過

void Test2( Base oP )
{
    oP.ShowID();
}

拷貝的時候有沒有拷貝虛表指針嗎？試試就知道，厄…發現沒有。

前面說過這樣會調用拷貝構造函數，但是你在這個函數你沒有寫虛表指針的賦值。但是邪惡的編譯器已經幫你悄悄加上去了哈哈哈哈~。(唉?節操呢)

 

 

RTTI

每個類有特定的虛表地址，每個對象會保存這個虛表地址，應該想到了吧，偷懶，不寫了。

 

綜上。可以看到，面向對象機制在底層並不特別，機制的實現主要靠的是編譯器。