C++ 虛擬函式分析

虛擬函式呼叫屬於執行時多型，在類的繼承關係中，通過父類指標來呼叫不同子類物件的同名方法，而產生不同的效果。
C++ 中的多型是通過晚繫結（物件構造時）來實現的。

用法

在函式之前宣告關鍵字virtual表示這是一個虛擬函式，在函式後增加一個 = 0 表示這是一個純虛擬函式，純虛擬函式的類不能建立具體例項。

該示例作後文分析使用，一個包含純虛擬函式的父類，一個重寫了父類方法的子類，一個無繼承的類。

struct Base {
    Base() : val(7777) {}
    virtual int fuck(int a) = 0;
    int val;
};

struct Der : public Base {
    Der() = default;
    int fuck(int a) override { return val + 4396; }
};

struct A {
    A() = default;
    void funny(int a) {}
};

int main() {
    Der der;
    Base *pbase = &der;
    pbase->fuck(sizeof(Der)); // 呼叫 Der::fuck(int a);

    A a;
    a.funny(sizeof(A));  // A::funny(int a);

    return 3;
}
 

實現

原來就瞭解虛擬函式是通過虛表的偏移來獲取實際呼叫函式地址來實現的，但是在何時確定這個偏移和具體的偏移細節也沒有說明，今兒個來探探究竟。

拿上面的程式碼進行反彙編獲提取部分函式，main，Base::Base(), Base::fuck(), Der::Der(), Der::fuck, A::funny() 如下：

_ZN4BaseC2Ev:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)   // 還是 main 函式的棧幀 -32(%rpb) 的地址
    leaq    16+_ZTV4Base(%rip), %rdx  // 關鍵點來了，取虛表偏移 16 的地址也就是 __cxa_pure_virtual，這裡是沒有意義的
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rdx, (%rax)     // 將 __cxa_pure_virtual 的地址存放在 地址rax 的記憶體中（這個例子中也就是main 函式的棧幀 -32(%rpb) 的地方）， 
    movq    -8(%rbp), %rax   // 然後往後偏移 8 個位元組，也就是跳過虛表指標，對成員變數 val 初始化。
    movl    $7777, 8(%rax)
    nop                      // 注：上面是用這個示例中實際的地址帶入的，實際上對於一個有的類的處理是一個通用邏輯的，建構函式傳入的第一個引數 rdi 是 this 指標，由於有虛表存在的影響，這裡會修改 this 指標所在地址的內容，也就是虛表的偏移地址（非起始地址）
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1:
    .size   _ZN4BaseC2Ev, .-_ZN4BaseC2Ev
    .weak   _ZN4BaseC1Ev
    .set    _ZN4BaseC1Ev,_ZN4BaseC2Ev
    .section    .text._ZN3Der4fuckEi,"axG",@progbits,_ZN3Der4fuckEi,comdat
    .align 2
    .weak   _ZN3Der4fuckEi
    .type   _ZN3Der4fuckEi, @function
_ZN3Der4fuckEi:
.LFB3:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movl    %esi, -12(%rbp)
    movq    -8(%rbp), %rax
    movl    8(%rax), %eax   // 成員變數 val，val 是從 rdi 中偏移 8 位元組取的值
    addl    $4396, %eax     // val + 4396
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE3:
    .size   _ZN3Der4fuckEi, .-_ZN3Der4fuckEi
    .section    .text._ZN1A5funnyEi,"axG",@progbits,_ZN1A5funnyEi,comdat
    .align 2
    .weak   _ZN1A5funnyEi
    .type   _ZN1A5funnyEi, @function
_ZN1A5funnyEi:
.LFB4:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movl    %esi, -12(%rbp)
    nop
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE4:
    .size   _ZN1A5funnyEi, .-_ZN1A5funnyEi
    .section    .text._ZN3DerC2Ev,"axG",@progbits,_ZN3DerC5Ev,comdat
    .align 2
    .weak   _ZN3DerC2Ev
    .type   _ZN3DerC2Ev, @function
_ZN3DerC2Ev:
.LFB7:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movq    %rdi, -8(%rbp)   // rdi 是取的 main 棧幀 -32(%rbp) 的地址
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZN4BaseC2Ev     // Base 的建構函式，並且又把傳進來的引數作為實參傳進去了，這裡跟蹤進去
    leaq    16+_ZTV3Der(%rip), %rdx  // 取虛表偏移16位元組 _ZN3Der4fuckEi 的地址 
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rdx, (%rax)     // rax 在之前的 Base建構函式中是被修改了的，這裡將繼續修改內容，前一次的修改失效。
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE7:
    .size   _ZN3DerC2Ev, .-_ZN3DerC2Ev
    .weak   _ZN3DerC1Ev
    .set    _ZN3DerC1Ev,_ZN3DerC2Ev
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB5:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $48, %rsp
    leaq    -32(%rbp), %rax // 取 -32(%rbp) 的地址，對應 Base *pbase;
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZN3DerC1Ev     // 呼叫了建構函式，並且以-32(%rbp) 的地址作為引數，這裡跟蹤進去
    leaq    -32(%rbp), %rax // -32(%rbp) 被修改，該記憶體中的內容為 Der 虛表的偏移地址 
    movq    %rax, -8(%rbp)
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    (%rax), %rax    // rax = M[rax]，取出虛表偏移中的地址
    movq    (%rax), %rdx    // rdx = M[rax] , 取出虛表偏移的內容（也就是函式地址），算上上面這是做了兩次解引用
    movq    -8(%rbp), %rax
    movl    $16, %esi       // sizeof(Der) = 16, 包含一個虛表指標和 int val;
    movq    %rax, %rdi      // 虛表偏移中的地址
    call    *%rdx           // 呼叫函式
    leaq    -33(%rbp), %rax
    movl    $1, %esi
    movq    %rax, %rdi
    call    _ZN1A5funnyEi   // 普通成員函式，實現簡單
    movl    $3, %eax
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE5:
    .size   main, .-main
    .weak   _ZTV3Der
    .section    .data.rel.ro.local._ZTV3Der,"awG",@progbits,_ZTV3Der,comdat
    .align 8
    .type   _ZTV3Der, @object
    .size   _ZTV3Der, 24
_ZTV3Der:
    .quad   0
    .quad   _ZTI3Der
    .quad   _ZN3Der4fuckEi  // Der::fuck(int a);
    .weak   _ZTV4Base
    .section    .data.rel.ro._ZTV4Base,"awG",@progbits,_ZTV4Base,comdat
    .align 8
    .type   _ZTV4Base, @object
    .size   _ZTV4Base, 24
_ZTV4Base:
    .quad   0
    .quad   _ZTI4Base
    .quad   __cxa_pure_virtual  // 純虛擬函式，無對應符號表
    .weak   _ZTI3Der
    .section    .data.rel.ro._ZTI3Der,"awG",@progbits,_ZTI3Der,comdat
    .align 8
    .type   _ZTI3Der, @object
    .size   _ZTI3Der, 24
 

現在是一個純虛擬函式，類中也沒有虛解構函式，通過反彙編來看一些這個實現。

_ZTV3Der 和 _ZTV4Base 是兩個虛表，大小為 24, 8 位元組對齊,分別對應 Der 子類和 Base 父類。虛表中偏移 16 位元組（偏移大小可能和實現相關）為虛擬函式地址，每次建構函式的被呼叫的時候，會將該偏移地址儲存到父類指標所在記憶體中，所以在上程式碼中看到，在 Base 和 Der 類的構函式中都出現了設定偏移地址的操作，但是子類建構函式會覆蓋父類的修改。這樣一來，實際的函式執行地址依賴建構函式，子類物件被構造就呼叫子類的方法，父類構造就呼叫父類的方法（非純虛擬函式），實現了執行時多型。

增加一個虛擬函式後, 後面的虛擬函式地址就新增到虛表之中，如下

virtual void Base::shit() {}
void Der::shit() override {}

_ZTV3Der:
    .quad   0
    .quad   _ZTI3Der
    .quad   _ZN3Der4fuckEi
    .quad   _ZN3Der4shitEv
    .weak   _ZTV4Base
    .section    .data.rel.ro._ZTV4Base,"awG",@progbits,_ZTV4Base,comdat
    .align 8
    .type   _ZTV4Base, @object
    .size   _ZTV4Base, 32
_ZTV4Base:
    .quad   0
    .quad   _ZTI4Base
    .quad   __cxa_pure_virtual
    .quad   _ZN4Base4shitEv
    .weak   _ZTI3Der
    .section    .data.rel.ro._ZTI3Der,"awG",@progbits,_ZTI3Der,comdat
    .align 8
    .type   _ZTI3Der, @object
    .size   _ZTI3Der, 24

再呼叫另外一個虛擬函式就簡單很多了，直接地址進行偏移（這裡shit在fuck之後，所以+8）

    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    (%rax), %rax
    addq    $8, %rax
    movq    (%rax), %rdx
    movq    -8(%rbp), %rax
    movq    %rax, %rdi
    call    *%rdx

簡單畫了一下虛擬函式執行的記憶體結構圖

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