再谈C++虚继承
2010-06-07 21:33 curer 阅读(8568) 评论(7) 编辑 收藏 举报上一篇只是初步的写了一下虚继承，很不清楚而且有的地方自己理解也不到位。这回详细总结一下。以下内容来自vs2008 默认设置下。类的布局可以通过-d1reportSingleClassLayout查看。
让我们从最简单的类结构开始。
代码
class A
{
public:
int a;
void af();
void virtual vaf();
};
void A::vaf(){printf("vaf\n");}
void A::af(){printf("af\n");}
class B
{
public:
int b;
void bf();
void virtual vbf();
};
void B::vbf(){printf("vbf\n");};
void B::bf(){printf("bf\n");};
class C:public A,public B
{
public:
int c;
void cf();
void virtual vcf();
};
void C::vcf(){printf("vcf\n");}
void C::cf(){printf("cf\n");}
内存中这个例子是这样的。
代码
class A size(8):
+---
0 | {vfptr}
4 | a
+---
A::$vftable@:
| &A_meta
| 0
0 | &A::vaf
class B size(8):
+---
0 | {vfptr}
4 | b
+---
B::$vftable@:
| &B_meta
| 0
0 | &B::vbf
class C size(20):
+---
| +--- (base class A)
0 | | {vfptr}
4 | | a
| +---
| +--- (base class B)
8 | | {vfptr}
12 | | b
| +---
16 | c
+---
C::$vftable@A@:
| &C_meta
| 0
0 | &A::vaf
1 | &C::vcf
C::$vftable@B@:
| -8
0 | &B::vbf
这里我们总结一下，类中有虚函数布局。
- 若是类中有虚函数，那么类中第一个元素是指向虚表的指针（这个情况只有vftable）。
- 基类数据成员
- 本身类成员
- 最左边的基类和本类公用同一个虚函数表，从而可以简化一些操作。
一个简单的例子，让我们看一下虚函数运行时的样子。
代码
C *pc= new C;
pc->af();
pc->vaf();
pc->vcf();
pc->vbf();
delete pc;
.text:00401059 push offset aAf ; "af\n";这里调用非虚函数，之前有一个给ecx赋值语句
.text:0040105E call ds:__imp__printf
.text:00401064 mov eax, [esi]
.text:00401066 mov edx, [eax]
.text:00401068 add esp, 4
.text:0040106B mov ecx, esi ;这里ecx指向类A，这里因为A和C相同的开始地址
.text:0040106D call edx ;这里节省了一次类的转化
.text:0040106F mov eax, [esi]
.text:00401071 mov edx, [eax+4] ;这里调用vcf，在虚表中我们看到了他的offset 4
.text:00401074 mov ecx, esi
.text:00401076 call edx
.text:00401078 mov eax, [esi+8] ;这里调用vbf,这里需要首先调整this指针
.text:0040107B mov edx, [eax] ;在找到相应的函数偏移量（这里为0）
.text:0040107D lea ecx, [esi+8]
.text:00401080 call edx
有了前面的铺垫，我们步入正题，依然是一个简单的例子。
代码
class D :virtual public A
{
int d;
void df();
void virtual vdf();
};
void D::vdf(){printf("vdf\n");}
void D::df(){printf("df\n");}
class E :virtual public A
{
public:
int e;
void ef();
void virtual vef();
};
void E::vef(){printf("vef\n");}
void E::ef(){printf("ef\n");}
class F :public A,public B
{
public:
int f;
void ff();
void virtual vff();
};
void F::vff(){printf("vff\n");}
void F::ff(){printf("ff\n");}
让我们再看一下class F在内存中的布局
代码
class F size(36):
+---
| +--- (base class D)
0 | | {vfptr}
4 | | {vbptr}
8 | | d
| +---
| +--- (base class E)
12 | | {vfptr}
16 | | {vbptr}
20 | | e
| +---
24 | f
+---
+--- (virtual base A)
28 | {vfptr}
32 | a
+---
F::$vftable@D@:
| &F_meta
| 0
0 | &D::vdf
1 | &F::vff
F::$vftable@E@:
| -12
0 | &E::vef
F::$vbtable@D@:
0 | -4
1 | 24 (Fd(D+4)A)
F::$vbtable@E@:
0 | -4
1 | 12 (Fd(E+4)A)
F::$vftable@A@:
| -28
0 | &A::vaf
这里又增加了一个指向虚基表的指针vbptr，我们可以看出这个指针的目的在于计算包含虚继承的类的位置（有直接虚继承和间接虚继承）。让我们总结下有虚继承下的布局。
- 将类中非虚继承的基类放置最前面。这样访问非虚继承函数不需再计算偏移量。
- 在派生类中若是没有vbtable则增加一个，除非能从原来的非虚继承类继承到了vbtable。
- 派生类数据成员
- 虚基类
可见，虚基类始终在类的尾部，那么当类生长的时候，也就是继续被继承时，则很有可能使虚基的偏移量变大。
比如在class D的虚基表中，D与A偏移量为0，而在class F中D与A偏移量变为了24，所以只能加入一个vbptr指向虚基表。
有了前面的知识，那么运行时的情况就好分析了。
代码
.text:0040104F mov dword ptr [eax+4], offset ??_8F@@7BD@@@ ; const F::`vbtable'{for `D'}
.text:00401056 mov dword ptr [eax+10h], offset ??_8F@@7BE@@@ ; const F::`vbtable'{for `E'}
;首先将虚基表初始化 eax=this
.text:0040105D mov dword ptr [eax+1Ch], offset ??_7A@@6B@ ; const A::`vftable'
.text:00401064 mov ecx, [eax+4] ;*ecx=vbtableFD
.text:00401067 mov dword ptr [eax], offset ??_7D@@6B0@@ ; const D::`vftable'{for `D'}
.text:0040106D mov edx, [ecx+4] ;获得vbtableFD表中第2项，也就是D和A虚函数表的offset
.text:00401070 mov dword ptr [edx+eax+4], offset ??_7D@@6BA@@@ ; const D::`vftable'{for `A'}
;根据和虚基表的offset+虚基表中和虚函数的offset+this找到虚函数位置以下类推
.text:00401078 mov ecx, [eax+10h]
.text:0040107B mov dword ptr [eax+0Ch], offset ??_7E@@6B0@@ ; const E::`vftable'{for `E'}
.text:00401082 mov edx, [ecx+4]
.text:00401085 mov dword ptr [edx+eax+10h], offset ??_7E@@6BA@@@ ; const E::`vftable'{for `A'}
.text:0040108D mov ecx, [eax+4]
.text:00401090 mov dword ptr [eax], offset ??_7F@@6BD@@@ ; const F::`vftable'{for `D'}
.text:00401096 mov dword ptr [eax+0Ch], offset ??_7F@@6BE@@@ ; const F::`vftable'{for `E'}
.text:0040109D mov edx, [ecx+4]
.text:004010A0 mov dword ptr [edx+eax+4], offset ??_7F@@6BA@@@ ; const F::`vftable'{for `A'}
.text:004010A8 mov esi, eax
.text:004010AE mov eax, [esi+4] ;eax=*vbtableFD
.text:004010B1 mov ecx, [eax+4] ;ecx=虚基表中和虚函数的offset
.text:004010B4 mov edx, [ecx+esi+4] ;*edx=vftable
.text:004010B8 mov eax, [edx]
.text:004010BA lea ecx, [ecx+esi+4] ;this=class A的开始
.text:004010BE call eax ;pf->vaf();
.text:004010C0 mov edx, [esi]
.text:004010C2 mov eax, [edx]
.text:004010C4 mov ecx, esi ;classD和classF公用虚表
.text:004010C6 call eax
.text:004010C8 mov edx, [esi+0Ch]
.text:004010CB mov eax, [edx]
.text:004010CD lea ecx, [esi+0Ch] ;修正this，指向class E
.text:004010D0 call eax
.text:004010D2 mov edx, [esi]
.text:004010D4 mov eax, [edx+4]
.text:004010D7 mov ecx, esi
.text:004010D9 call eax
再看下虚函数覆盖的问题。
代码
class G
{
public:
int g;
void gf();
void virtual vgf();
void virtual vaf();
};
void G::gf(){printf("gf\n");}
void G::vgf(){printf("vgf\n");}
void G::vaf(){printf("vaf_g\n");}
class H:public A,public G
{
public:
int h;
void hf();
void vaf();
void vgf();
void virtual vhf();
};
void H::hf(){printf("hf\n");}
void H::vaf(){printf("vaf_H\n");}
void H::vgf(){printf("vgf_h\n");}
void H::vhf(){printf("vhf\n");}
class H size(20):
+---
| +--- (base class A)
0 | | {vfptr}
4 | | a
| +---
| +--- (base class G)
8 | | {vfptr}
12 | | g
| +---
16 | h
+---
H::$vftable@A@:
| &H_meta
| 0
0 | &H::vaf
1 | &H::vhf
H::$vftable@G@:
| -8
0 | &H::vgf
1 | &thunk: this-=8; goto H::vaf
由于A类和G类的函数vaf都被子类H覆盖，由于A和H共用虚函数表，那么如果在G类中依然保留被覆盖的函数则浪费空间。实际是通过以下代码实现的。
代码
.text:004010B0 ; [thunk]:public: virtual void __thiscall H::vaf`adjustor{8}' (void)
.text:004010B0 ?vaf@H@@W7AEXXZ proc near ; DATA XREF: .rdata:00402158o
.text:004010B0 sub ecx, 8 ;这里调整this指针，指向class G=class A
.text:004010B3 jmp ?vaf@H@@UAEXXZ ; H::vaf(void);转向到G表中的vaf()
.text:004010B3 ?vaf@H@@W7AEXXZ endp
可见要是要使用thunk，根本上是处理以达到节省函数表大小，通过修改this指针去调用子类表项，那么也就是当子类覆盖父类多个方法时，只保留一份，其他的则跳转执行。
代码
mov ecx, esi
call edx ;调用vaf
mov eax, [esi+8] ;*eax=vftable_G
mov edx, [eax]
lea ecx, [esi+8]
call edx ;vgf
mov eax, [esi]
mov edx, [eax+4]
mov ecx, esi
call edx ;vhf
虚函数中还有2个非常重要的部分一个纯虚函数,一个虚析构函数。由于析构函数和构造函数结合的实在是太紧密了。下一篇先总结下虚析构函数当然也包括构造函数的部分。
