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反汇编探索C++虚函数实现多态的机制

发布：C++培训
来源：学习笔记
时间：2017-10-25 15:51
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虚函数是C++实现多态的机制，那么它是如何做到的呢?

以下通过反汇编探索虚函数内存模型，查看虚函数实现多态的过程。

工具

Visual studio 2017：以下程序仅做VC++编译器下的32位程序探讨，其他编译器与64位程序所产生的差异不作讨论。

反汇编过程

首先声明一个不包含虚函数的简单C++类，如下：

在构造函数中加入断点，使得反汇编构造函数代码，如图：

当运行到断点时，在Visual Studio中使用快捷键Ctrl+F11打开反汇编，得出如下指令：

黄色框中的指令可以看出，构造函数中，将4这个值放到了this指针所指向区域的前4个字节，而4这个值刚好就是变量a的值，也就是说，在不包含虚函数时，4个字节长度的int型变量a就存放在对象数据空间的起始4个字节。

随后再创建包含虚函数的类c2，如图：

用相同方法让程序暂停在c2类的构造函数的断点，再反汇编，同时对比c1反汇编指令：

左边为包含虚函数的类c2，右边为不包含虚函数的类c1

可以看出，包含虚函数的类c2的构造函数，相比不包含虚函数的类c1，仅仅多出了两条指令：

这两条指令表示，this指针的前4个字节，不再是存放变量a，而是一个vftable的地址(即虚函数表)，而变量数据则是通过往后偏移4个字节存放，如对比图左图所示，所有地址都以加4来偏移：

由此可以总结出包含虚函数的类对象在内存中的模型：

如图，包含虚函数的类对象，前4个字节存放的是虚函数表，后面才开始存放变量。

那么虚函数表中存放的是什么内容?

从上面图片中显示，虚函数表指向的内存地址为01 3B 8B 34h，通过Visual Studio的调试-窗口-内存，打开内存查看工具，定位到这个地址，可以看到里面的内容：

很明显可以看出，选中的8个字节分别代表两段内存地址01 3b 10 0a和01 3b 13 ac，而不是程序指令集，因为程序数据所在内存地址都在01 3b ** **内，可以看到所有反汇编指令前的内存地址皆是如此。

为了弄明白这两个内存地址的内容，在反汇编窗口输入内存地址查看01 3b 10 0a：

可以看到，这个地址指向第一个虚函数c2::test()，再看第二个地址01 3b 13 ac：

可以看到，第二个地址指向第二个虚函数c2::test2()。

这说明，虚函数表实际上是一个存放虚函数指针的数组。

那么多态是怎么实现的呢?

再创建一个继承c2的子类cc2，同样反汇编查看构造函数：

可以看出，cc2构造函数中赋予的虚函数表地址与基类地址不同，并且所指向的虚函数也是cc2自己的虚函数，在cc2的构造函数中，先调用了基类c2的构造函数，如红色框所示，在基类c2的构造函数中，会将基类的虚函数表放在类对象前4个字节，随后从c2构造函数中出来，运行到黄色框部分，子类会再次将子类自己的虚函数表放在类对象前4个字节，从而将基类的虚函数表覆盖，实现多态。

总结

不包含虚函数的类，是没有虚函数表的，变量等数据是从类对象数据块的第一个字节开始存放。

包含虚函数的类，会多出一个虚函数表，而类对象数据块的前4个字节存放的是虚函数表地址，从第5个字节开始存放变量等数据。

虚函数表实质是一个函数指针的数组，存放着本类的各个虚函数的指针。

由于基类的构造函数先于子类执行，这会导致子类的虚函数表巧妙地覆盖掉基类的虚函数表，从而实现多态。

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