从汇编的角度了解C++原理——虚函数
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本文用到的反汇编工具是objconv使用方法可以看我另一篇文章https://blog.csdn.net/weixin_45001971/article/details/128660642。
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从汇编的角度了解C++原理——类的储存结构和函数调用
1、虚函数
1.1、虚函数储存结构
反汇编。
main:
sub rsp, 56
lea rcx, [rsp+20H]
call ??0A@@QEAA@XZ //调用构造函数
mov eax, 4294967295
add rsp, 56
ret
??0A@@QEAA@XZ: //调用A类的构造函数
mov qword [rsp+8H], rcx
mov rax, qword [rsp+8H]
lea rcx, [rel ??_7A@@6B@] //获取虚表??_7A@@6B@的地址
mov qword [rax], rcx //把虚表地址放在对象的头部
mov rax, qword [rsp+8H]
mov dword [rax+8H], 10 //在对象首地址偏移8个字节的位置定义d1变量
mov rax, qword [rsp+8H]
ret
??_7A@@6B@: //A类虚表
dq ?func2@A@@UEAAXXZ //虚函数func2
以上例的汇编代码可以得出带虚函数的类的储存结构如下图所示。
带有虚函数的对象的头部会放置8个字节大小的虚表地址有了虚表之后的对象会以8个字节为单位去对齐如上例中的A类如果没有虚函数它的大小为4个字节而加了虚函数之后大小变为了16个字节。
1.2、子类重写虚函数
在代码中添加A的子类B重写func2方法。
反汇编
main:
sub rsp, 56
lea rcx, [rsp+20H]
call ??0B@@QEAA@XZ //调用B类构造
mov eax, 4294967295
add rsp, 56
ret
??0A@@QEAA@XZ: //A类构造函数
mov qword [rsp+8H], rcx
mov rax, qword [rsp+8H]
lea rcx, [rel ??_7A@@6B@] //把A类虚表的地址放在头部
mov qword [rax], rcx
mov rax, qword [rsp+8H]
mov dword [rax+8H], 10
mov rax, qword [rsp+8H]
ret
??0B@@QEAA@XZ: //B类构造函数
mov qword [rsp+8H], rcx
sub rsp, 40
mov rcx, qword [rsp+30H]
call ??0A@@QEAA@XZ //调用A类构造
mov rax, qword [rsp+30H]
lea rcx, [rel ??_7B@@6B@] //把B类虚表的地址放在头部
mov qword [rax], rcx
mov rax, qword [rsp+30H]
add rsp, 40
ret
??_7A@@6B@: //A类虚表
dq ?func2@A@@UEAAXXZ //A::func2
dq ?func3@A@@UEAAXXZ //A::func3
??_7B@@6B@: //B类虚表
dq ?func2@B@@UEAAXXZ //B::func2被替换为了B实现的func2
dq ?func3@A@@UEAAXXZ //A::func3
从该例中我们可以看到父类有虚函数时不光它自己有一张虚表它的子子孙孙都会各带有一个自己的虚表子类重写虚函数时会把子类实现的函数指针替换上虚表把原先父类的函数指针覆盖掉。
1.3、在栈上调用虚函数
在main里添加方法的调用。
反汇编。
main:
sub rsp, 56
lea rcx, [rsp+20H]
call ??0B@@QEAA@XZ
lea rcx, [rsp+20H]
call ?func1@A@@QEAAXXZ //调用A::func1
lea rcx, [rsp+20H]
call ?func2@B@@UEAAXXZ //调用B::func2
lea rcx, [rsp+20H]
call ?func3@A@@UEAAXXZ //调用A::func3
mov eax, 4294967295
add rsp, 56
ret
在栈上调用方法时因为类型是确定的所以编译器在编译阶段就会找到对应的函数去调用调用过程与普通方法一样。
1.4、在堆上调用虚函数(通过指针调用多态)
修改例程如下。
反汇编
main:
sub rsp, 72
mov ecx, 16
call ??2@YAPEAX_K@Z
mov qword [rsp+28H], rax
cmp qword [rsp+28H], 0
jz ?_001
mov rcx, qword [rsp+28H] //定义指针b
call ??0B@@QEAA@XZ
mov qword [rsp+30H], rax //rsp+30H指向对象
jmp ?_002 //跳到?_002
?_001: mov qword [rsp+30H], 0
?_002: mov rax, qword [rsp+30H]
mov qword [rsp+38H], rax //rsp+38H指向对象
mov rax, qword [rsp+38H] //rax指向对象
mov qword [rsp+20H], rax //rsp+20H指向对象
mov rcx, qword [rsp+20H] //rcx指向对象
call ?func1@A@@QEAAXXZ //调用A::func1
mov rax, qword [rsp+20H]
mov rax, qword [rax] //取虚表
mov rcx, qword [rsp+20H]
call near [rax] //执行虚表第一个函数即B::func2
mov rax, qword [rsp+20H]
mov rax, qword [rax]
mov rcx, qword [rsp+20H]
call near [rax+8H] //执行虚表第二个函数即A::func3
mov eax, 4294967295
add rsp, 72
ret
??_7B@@6B@:
dq ?func2@B@@UEAAXXZ
dq ?func3@A@@UEAAXXZ
从该例可以看到通过指针来调用函数时。
如果是普通函数编译器会直接根据指针类型找到对应的的方法而不是根据对象本身的类型如本例中B类也实现了func1方法但通过A类指针调用时写到汇编里的时A::func1。
如果是虚函数编译器不会根据名字来查找函数而是让汇编代码通过虚表中的偏移量来调用如本例中b指针执行了func2和func3这两个函数都没有被直接调用而是以“call near [rax + 偏移量]”的形式调用了这也是C++中父类指针指向子类对象的多态的实现原理。