阅读本文前最好已经读过 理解程序内存 和 理解C++变量存储模型 相关的内容, C++对象模型比较经典的书是《深度探索C++对象模型》, 但是书本的知识始终局限在理论上，熟话说“纸上得来终觉浅”，只有我们自已用工具经过验证，我们才能真正的理解这些知识。下面我们用WinDbg为工具对C++对象模型进行探索。类对象实例究竟包含哪些东西
我们的例子代码非常简单:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
int main()
{
A* p = new A;
p->fun2();
system("pause");
return 0;
}
我们在main函数里 system("pause");的地方设置断点，然后让程序运行到这里。
输入WinDbg命令?? sizeof(*p)让他打印A对象的大小，输出如下: 0:000> ?? sizeof(*p)
unsigned int 0xc
可以看到A的实例对象大小是 0xc = 12 字节接下来输入WinDbg命令dt p让他打印p所指下对象的内存布局, 输出如下:0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type A*
0x00034600
+0x000 __VFN_table : 0x004161d8
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c3c0 A::s_nCount : 0n0
可以看到A的对象实例由虚表指针,m_cA, m_nA组成，正好是12字节(内部char作了4字节对齐)。最后一个静态变量s_nCount的地址是0041c3c0, 我们可以通过命令!address 0041c3c0查看它所在地址的属性, 结果如下:0:000> !address 0041c3c0
Usage: Image
Allocation Base: 00400000
Base Address: 0041b000
End Address: 0041f000
Region Size: 00004000
Type: 01000000 MEM_IMAGE
State: 00001000 MEM_COMMIT
Protect: 00000004 PAGE_READWRITE
More info: lmv m ConsoleTest
More info: !lmi ConsoleTest
More info: ln 0x41c3c0
可以看到类静态变量被编译在consoletest.exe可执行文件的 可读写数据节(.data)结论: C++中类实例对象由虚表指针和成员变量组成(一般最开始的4个字节是虚表指针)，而类静态变量分布在PE文件的.data节中，与类实例对象无关。虚表位置和内容
根据+0x000 __VFN_table : 0x004161d8 继续上面的调试，我们看到虚表地址是在0x004161d8, 输入!address 0x004161d8, 查看虚表地址的属性:0:000> !address 0x004161d8
Usage: Image
Allocation Base: 00400000
Base Address: 00416000
End Address: 0041b000
Region Size: 00005000
Type: 01000000 MEM_IMAGE
State: 00001000 MEM_COMMIT
Protect: 00000002 PAGE_READONLY
More info: lmv m ConsoleTest
More info: !lmi ConsoleTest
More info: ln 0x4161d8
可以看到类虚表被编译在consoletest.exe可执行文件的 只读数据节(.rdata)
接下来我们看下虚表中有哪些内容, 输入dps 0x004161d8 查看虚表所在地址的符号，输出如下:0:000> dps 0x004161d8
004161d8 00401080 ConsoleTest!A::fun2 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 13]
004161dc 004010a0 ConsoleTest!A::`scalar deleting destructor'
004161e0 326e7566
004161e4 00000000
我们可以看到虚表里正好包含了我们的2个虚函数fun2()和~A().另外我们也可以多new几个A的实例试下，我们可以看到他们的虚表地址都是 0x004161d8。结论: C++中类的虚表内容由虚函数地址组成，虚表分布在PE文件的.rdata节，并且同一类的所有实例共享同一个虚表。
禁止生成虚表会怎样
我们可以通过__declspec(novtable)来告诉编译器不要生成虚表，ATL中大量应用这种技术来减小虚表的内存开销，我们原来的代码改成class __declspec(novtable) A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
继续原来的方法调试，我们会看到一运行到p->fun2(), 程序就会Crash, 究竟是什么原因?用原来的?? sizeof(*p)命令，可以看到对象大小依然是12 字节， 输入dt p, 输出:0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type A*
0x00033e58
+0x000 __VFN_table : 0x00030328
+0x004 m_cA : 40 '('
+0x008 m_nA : 0n0
=0040dce0 A::s_nCount : 0n0
从上面可以看到虚表似乎依然存在， 但是再输入dps 0x00030328 查看虚表内容, 你就会发现现在虚表内容果然已经不存在了:0:000> dps 0x00030328
00030328 00030328
0003032c 00030328
00030330 00030330
结论: 通过__declspec(novtable)，我们只能禁止编译器生成虚表，但是不能阻止对象仍包含虚表指针(不能减小对象的大小)，也不能阻止程序对虚表的访问（尽管实际虚表不存在），所以禁止生成虚表只适用于永远不会实例化的类(基类)
单继承对象内存模型
下面我们简单的将上面的代码改下下，让B继承A，并且重写原来的虚函数fun2:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
void fun1(){ cout << "fun1"; }
virtual void fun2() { cout << "fun2"; }
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
class B: public A
{
public:
virtual void fun2() { cout << "fun2 in B"; }
virtual void fun3() { cout << "fun3 in B"; }
public:
int m_nB;
};
int main()
{
B* p = new B;
A* p1 = p;
p1->fun2();
system("pause");
return 0;
}
用原来的方法进行调试，查看B对象的内存布局0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type B*
0x00034640
+0x000 __VFN_table : 0x004161d8
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c3e0 A::s_nCount : 0n0
+0x00c m_nB : 0n0
可以看到B对象的大小是原来A对象的大小加4(m_nB), 总共是16字节，查看B的虚表内容如下:0:000> dps 0x004161d8
004161d8 00401080 ConsoleTest!B::fun2 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 26]
004161dc 004010c0 ConsoleTest!B::`scalar deleting destructor'
004161e0 004010a0 ConsoleTest!B::fun3 [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 27]
004161e4 326e7566
可以看到虚表中保存的都是B的虚函数地址: fun2(), ~B(), fun3()结论: 单继承时父类和子类共用同一虚表指针，而子类的数据被添加在父类数据之后，父类和子类的对象指针在相互转化时值不变。多继承对象内存模型
我们把上面的代码改成多继承的方式, class A, class B, 然后C继承A和B:#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in A";}
virtual void funA() {cout << "funA";}
virtual ~A() {}
char m_cA;
int m_nA;
static int s_nCount;
};
int A::s_nCount = 0;
class B
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in B";}
virtual void funB() {cout << "funB";}
int m_nB;
};
class C: public A, public B
{
public:
virtual void fun() {cout << "fun in C";};
virtual void funC(){cout << "funC";}
int m_nC;
};
int main()
{
C* p = new C;
B* p1 = p;
p->fun();
system("pause");
return 0;
}
0:000> dt p
Local var @ 0x13ff74 Type C*
0x00034600
+0x000 __VFN_table : 0x004161f4
+0x004 m_cA : 120 'x'
+0x008 m_nA : 0n0
=0041c4a0 A::s_nCount : 0n0
+0x00c __VFN_table : 0x004161e8
+0x010 m_nB : 0n0
+0x014 m_nC : 0n0
0:000> dps 0x004161f4
004161f4 004010f0 ConsoleTest!C::fun [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 33]
004161f8 004010b0 ConsoleTest!A::funA [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 16]
004161fc 00401130 ConsoleTest!C::`scalar deleting destructor'
00416200 00401110 ConsoleTest!C::funC [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 34]
0:000> dps 0x004161e8
004161e8 00402850 ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}'
004161ec 004010d0 ConsoleTest!B::funB [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 27]
004161f0 004187a0 ConsoleTest!C::`RTTI Complete Object Locator'
0:000> dt p1
Local var @ 0x13ff70 Type B*
0x0003460c
+0x000 __VFN_table : 0x004161e8
+0x004 m_nB : 0n0
另外我们上面要特别留意第二个虚表的第一个函数:
004161e8 00402850 ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}'我们发现这个函数不是我们真正的class C的fun函数:
004161f4 004010f0 ConsoleTest!C::fun [f:\test\consoletest\consoletest\consoletest.cpp @ 33]该函数地址是
00402850, 我们可以反汇编看下:0:000> u 00402850
ConsoleTest![thunk]:C::fun`adjustor{12}':
00402850 83e90c sub ecx,0Ch
00402853 e998e8ffff jmp ConsoleTest!C::fun (004010f0)
00402858 cc int 3
00402859 cc int 3
0040285a cc int 3
0040285b cc int 3
0040285c cc int 3
0040285d cc int 3
可以看到这个函数是编译器生成的一个代理函数，它内部实现只是把我们B的this指针(ecx)加上12个字节的偏移后，然后再去调用我们真正的C的fun函数。
为什么会这样呢？
因为class C的fun 内部在实现时假设的this指针都是它本身实例的起始地址，但是B指针并不符合这个要求，所以B的指针需要调整后才能去调用真正C的方法。
结论: 多重继承时派生类和第一个基类公用一个虚表指针，他们的对象指针相互转化时值不变；而其他基类(非第一个)和派生类的对象指针在相互转化时有一定的偏移，他们内部虚表保存的函数指针并不一定是最终的实现的虚函数(可能是类似上面的一个代理函数)。
如何用虚表实现多态？
有了上面这些分析，这个咱们就不证明了，直接下结论吧。
结论: C++通过虚表来实现多态，派生类的虚表和基类的虚表根据索引依次保存相同的函数类型指针，但是这些函数指针最终指向他们各自最终的实现函数，调用虚函数时，我们只是根据函数所在虚表的索引来调用，所以他们可以在派生类中有各自不同的实现。
恩，有了前面的基础，这个就当思考题吧...总之，拿着一把刀，庖丁解牛般的剖析语言背后的实现细节，看起来不是那么实用，但是它能让你对语言的理解更深刻。实际上ATL中大量应用上面的技术，如果没有对C++ 对象模型有比较深刻的理解，是很难深入下去的。
posted on 2012-09-21 23:02
Richard Wei 阅读(4132)
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C++