C++虛函數表分析

先看代碼：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
    virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
    virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
};

class Derive : public Base{
public:
    void g() {cout<<"derive::g"<<endl;}
};

//可以稍后再看
int main () {
    cout<<"size of Base: "<<sizeof(Base)<<endl;

    typedef void(*Func)(void);
    Base b;
    Base *d = new Derive();

    long* pvptr = (long*)d;
    long* vptr = (long*)*pvptr;
    Func f = (Func)vptr[0];
    Func g = (Func)vptr[1];
    Func h = (Func)vptr[2];

    f();
    g();
    h();

    return 0;
}

 

    都知道C++中的多態是用虛函數實現的： 子類覆蓋父類的虛函數， 然后聲明一個指向子類對象的父類指針， 如Base *b = new Derive();
當調用b->f()時， 調用的是子類的Derive::f()。 
這種機制內部由虛函數表實現，下面對虛函數表結構進行分析，並且用GDB驗證。
 
1. 基礎知識：
(1) 32位os 指針長度為4字節， 64位os 指針長度為8字節， 下面的分析環境為64位 linux & g++ 4.8.4.
(2) new一個對象時， 只為類中成員變量分配空間， 對象之間共享成員函數。

2. _vptr
    運行下上面的代碼發現sizeof(Base) = 8, 說明編譯器在類中自動添加了一個8字節的成員變量， 這個變量就是_vptr, 指向虛函數表的指針。
_vptr有些文章里說gcc是把它放在對象內存的末尾，VC是放在開始， 我編譯是用的g++，驗證了下是放在開始的：

驗證代碼：取對象a的地址與a第一個成員變量n的地址比較，如果不等，說明對象地址開始放的是_vptr. 也可以用gdb直接print a 會發現_vptr在開始

class A
{
public:
      int n;
      virtual void Foo(void){}
};

int main()
{
     A a;
     char *p1 = reinterpret_cast<char*>(&a);
     char *p2 = reinterpret_cast<char*>(&a.n);
     if(p1 == p2)
     {
        cout<<"vPtr is in the end of class instance!"<<endl;
     }else
     {
        cout<<"vPtr is in the head of class instance!"<<endl;
     }
     return 1;
}

(3) 虛函數表
    包含虛函數的類才會有虛函數表， 同屬於一個類的對象共享虛函數表， 但是有各自的_vptr.
    虛函數表實質是一個指針數組，里面存的是虛函數的函數指針。

Base中虛函數表結構：

Derive中虛函數表結構：

 

(4)驗證
運行上面代碼結果：
    size of Base: 8
    base::f
    derive::g
    base::h

說明Derive的虛函數表結構跟上面分析的是一致的：
    d對象的首地址就是vptr指針的地址-pvptr，
    取pvptr的值就是vptr-虛函數表的地址
    取vptr中[0][1][2]的值就是這三個函數的地址
    通過函數地址就直接可以運行三個虛函數了。
    函數表中Base::g()函數指針被Derive中的Derive::g()函數指針覆蓋， 所以執行的時候是調用的Derive::g()

 

(5)多繼承

 

 

附 GDB調試：

(1) #生成帶有調試信息的可執行文件
g++ test.cpp -g -o test    

(2) #載入test
gdb test

(3) #列出Base類代碼
(gdb) list Base
1       #include <iostream>
2
3       using namespace std;
4
5       class Base {
6       public:
7           virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
8           virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
9           virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
10      };

（4） #查看Base函數地址
(gdb) info line 7 
Line 7 of "test.cpp" starts at address 0x400ac8 <Base::f()> and ends at 0x400ad4 <Base::f()+12>.
(gdb) info line 8
Line 8 of "test.cpp" starts at address 0x400af2 <Base::g()> and ends at 0x400afe <Base::g()+12>.
(gdb) info line 9
Line 9 of "test.cpp" starts at address 0x400b1c <Base::h()> and ends at 0x400b28 <Base::h()+12>.

（5）#列出Derive代碼
(gdb) list Derive 
7           virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
8           virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
9           virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
10      };
11
12      class Derive : public Base{
13      public:
14          void g() {cout<<"derive::g"<<endl;}
15      };

（6）#查看Derive函數地址
(gdb) info line 14
Line 14 of "test.cpp" starts at address 0x400b46 <Derive::g()> and ends at 0x400b52 <Derive::g()+12>.

（7）#start執行程序，n單步執行
(gdb) start
Temporary breakpoint 1, main () at test.cpp:19
19          cout<<"size of Base: "<<sizeof(Base)<<endl;
(gdb) n
size of Base: 8
22          Base b;
(gdb)
23          Base *d = new Derive();
(gdb)
25          long* pvptr = (long*)d;
(gdb)
26          long* vptr = (long*)*pvptr;
(gdb)
27          Func f = (Func)vptr[0];
(gdb)
28          Func g = (Func)vptr[1];
(gdb)
29          Func h = (Func)vptr[2];
(gdb)
31          f();
(gdb)

（8） #print d對象， 0x400c90為成員變量_vptr的值，也就是函數表的地址
(gdb) p *d 
$4 = {_vptr.Base = 0x400c90 <vtable for Derive+16>}
(gdb) p vptr
$6 = (long *) 0x400c90 <vtable for Derive+16> （9） #查看函數表值，與之前查看函數地址一致
(gdb) p (long*)vptr[0]
$9 = (long *) 0x400ac8 <Base::f()>
(gdb) p (long*)vptr[1]
$10 = (long *) 0x400b46 <Derive::g()>
(gdb) p (long*)vptr[2]
$11 = (long *) 0x400b1c <Base::h()>

 

另vptr. vtable內存位置， refer  http://www.tuicool.com/articles/iUB3Ebi