C++ 虚函数表 vtable

目录

  • 1.测试代码
  • 2.查看虚函数表
    • Widget 虚函数表
    • 虚函数表
  • 参考

本篇文章通过小实验来了解了解虚函数表，测试环境 ubuntu16 gcc 5.4.0

1.测试代码

测试代码中定义了两个类，后面将会查看这两个类的虚函数表

#include <iostream>
using namespace std;class Object {
public:Object(){cout << "Object()" << endl;}virtual ~Object(){cout << "~Object()" << endl;}virtual void print() {cout << "Object::print()" << endl;}
private:
};class Widget : public Object {
public:Widget() {cout << "Widget()" << endl;}~Widget() {cout << "~Widget()" << endl;}void print() override {cout << "Widget::print()" << endl;}
private:
};int main() {Object *o = new Widget;// 打印虚函数表地址uintptr_t *vtbl = (uintptr_t*)o;cout << std::hex << *vtbl << endl;o->print();delete o;return 0;
}

执行结果

root@linux:~/code/module/modvma# g++ vtbl.cpp -o vtbl -std=c++11
root@linux:~/code/module/modvma# ./vtbl 
Object()
Widget()
401020
Widget::print()
~Widget()
~Object()

初步看到 Widget 类的虚函数表地址是 0x401020

2.查看虚函数表

使用 objdump 来查看生成的可执行文件 vtbl

root@linux:~/code/module/modvma# objdump -s -d vtbl

-d, --disassemble Display assembler contents of executable sections
-s, --full-contents Display the full contents of all sections requested

mian 函数反汇编如下

0000000000400b36 <main>:
...
400b90:	48 8b 45 e0    mov    -0x20(%rbp),%rax 	; 将 o 的值给 rax
400b94:	48 8b 00       mov    (%rax),%rax		; 对 o 的值解引用; 现在 rax 的值为虚函数表地址
400b97:	48 83 c0 10    add    $0x10,%rax		; 将地址加 8 + 8 = 16; 现在 rax 指向了虚函数表中的一个条目
400b9b:	48 8b 00       mov    (%rax),%rax		; 对这个条目解引用; 现在 rax 的值为虚函数的入口地址
400b9e:	48 8b 55 e0    mov    -0x20(%rbp),%rdx
400ba2:	48 89 d7       mov    %rdx,%rdi			; 将参数 o 给 rdi
400ba5:	ff d0          callq  *%rax				; 调用 print(o)
...

上面给出了 o->print(); 这行代码对应的指令，可以看见对虚函数的调用的整个过程

测试代码运行结果显示，o 指向的对象的虚表指针 vptr 值为 0x401020，查看该地址内容如下

Contents of section .rodata:400fc0 01000200 004f626a 65637428 29007e4f  .....Object().~O400fd0 626a6563 74282900 4f626a65 63743a3a  bject().Object::400fe0 7072696e 74282900 57696467 65742829  print().Widget()400ff0 007e5769 64676574 28290057 69646765  .~Widget().Widge401000 743a3a70 72696e74 28290000 00000000  t::print()......401010 00000000 00000000 60104000 00000000  ........`.@.....401020 920e4000 00000000 ea0e4000 00000000  ..@.......@.....401030 100f4000 00000000 00000000 00000000  ..@.............401040 80104000 00000000 900d4000 00000000  ..@.......@.....401050 dc0d4000 00000000 020e4000 00000000  ..@.......@.....401060 20226000 00000000 78104000 00000000   "`.....x.@.....401070 80104000 00000000 36576964 67657400  ..@.....6Widget.401080 b0206000 00000000 90104000 00000000  . `.......@.....401090 364f626a 65637400                    6Object.

0x401020 这个虚拟地址位于 .rodata 节中，所以虚函数表位于 .rodata 中

Widget 虚函数表

从 0x401020 开始的几个条目是

400e92
400eea
400f10

这三个条目的值为虚函数的地址，查看 Widget 类的函数地址如下

...
0000000000400e2e <_ZN6WidgetC1Ev>:		; ctor
...
0000000000400e92 <_ZN6WidgetD1Ev>:		; dtor
...
0000000000400eea <_ZN6WidgetD0Ev>:		; dtor
...
0000000000400f10 <_ZN6Widget5printEv>:	; Widget::print

左边是每个函数的入口地址，虚函数表中的条目正好对应了类中的虚函数

这里有两个虚析构函数，一个叫 complete object destructor, 另一个叫 deleting destructor，区别在于前者只执行析构函数不执行delete()，后面的在析构之后执行delete操作，也就是会 free。这是使用 gcc 得到的结果，使用 msvc 结果不一样，只有一个虚析构函数

所以，虚函数 Widget::print 的调用过程包括：首先通过对象的虚表指针 vptr 找到 Widget 类的虚函数表 vtable ，这里 vptr 指针（0x401020）指向是第一个虚析构函数，通过偏移 16 个字节找到 print 函数的项，这样就得到了 print 函数的入口地址 0x400f10

虚函数表

使用 compiler explorer 时给出了这些内容，可以看到这些才是真正的虚函数表内容（这里面使用的是 gcc 13 编译器，第一节中使用测试代码的是 ubuntu 进行演示的，实际内容有点不一样）

vtable for Widget:.quad   0.quad   typeinfo for Widget.quad   Widget::~Widget() [complete object destructor].quad   Widget::~Widget() [deleting destructor].quad   Widget::print()
vtable for Object:.quad   0.quad   typeinfo for Object.quad   Object::~Object() [complete object destructor].quad   Object::~Object() [deleting destructor].quad   Object::print()
typeinfo for Widget:.quad   vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info+16.quad   typeinfo name for Widget.quad   typeinfo for Object
typeinfo name for Widget:.string "6Widget"
typeinfo for Object:.quad   vtable for __cxxabiv1::__class_type_info+16.quad   typeinfo name for Object
typeinfo name for Object:.string "6Object"

可以看到，对象中的 vptr 指向的并不是 vtable 的首地址，指向的是第一个虚函数条目，这些内容在可执行文件中都能看到

Contents of section .rodata:400fc0 01000200 004f626a 65637428 29007e4f  .....Object().~O400fd0 626a6563 74282900 4f626a65 63743a3a  bject().Object::400fe0 7072696e 74282900 57696467 65742829  print().Widget()400ff0 007e5769 64676574 28290057 69646765  .~Widget().Widge401000 743a3a70 72696e74 28290000 00000000  t::print()......401010 00000000 00000000 60104000 00000000  ........`.@.....401020 920e4000 00000000 ea0e4000 00000000  ..@.......@.....401030 100f4000 00000000 00000000 00000000  ..@.............401040 80104000 00000000 900d4000 00000000  ..@.......@.....401050 dc0d4000 00000000 020e4000 00000000  ..@.......@.....401060 20226000 00000000 78104000 00000000   "`.....x.@.....401070 80104000 00000000 36576964 67657400  ..@.....6Widget.401080 b0206000 00000000 90104000 00000000  . `.......@.....401090 364f626a 65637400                    6Object.

0x401010 应该就是 Widget 类的虚函数表的首地址，每一项 8 个字节

  • 第一项为 0
  • 第二项为 0x401060，typeinfo for Widget
401060 20226000 00000000 78104000 00000000   "`.....x.@.....
401070 80104000 00000000 36576964 67657400  ..@.....6Widget.

typeinfo for Widget 中最后有一个类名 typeinfo name，内容为 6Widget，前面 8 个字节内容为 0x401080 （这里和 compiler explorer 中的内容不一样），是父类 Object 的 typeinfo

401080 b0206000 00000000 90104000 00000000  . `.......@.....
401090 364f626a 65637400                    6Object.
  • 第三项开始就是虚函数的地址了

而 Object 类的虚函数表从 0x406038 开始，下面是 Object 类的函数地址

...
0000000000400d58 <_ZN6ObjectC1Ev>:
...
0000000000400d90 <_ZN6ObjectD1Ev>:
...
0000000000400ddc <_ZN6ObjectD0Ev>:
...
0000000000400e02 <_ZN6Object5printEv>:

参考

更详细的继承、虚函数内容可以查看这篇文章 图说C++对象模型：对象内存布局详解

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