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在VC6.0中虚函数的实现原理

2013年09月03日 ⁄ 综合 ⁄ 共 7162字 ⁄ 字号 评论关闭

讨论虚拟函数的技术内幕——后期联编(Late binding),

   一,进入内存
首先,一个含有虚拟函数的类在内存中的结构。
假设一个这样的类:

class CShape
{
        int b1;
public:
        void MyTest()
        {
                 cout << "CShape::MyTest /n";
        }
};
在栈区,它仅仅只是占据了四个字节,用于存放成员数据——b1。 sizeof(CShape)
奇怪,那么它的成员函数在那里呢?在VC++6.0,对于普通的成员函数,它将CShape::MyTest()编修改为:“?MyTest@CTestA@@QAEXXZ”,真是个奇怪的名字,但是在这个名字中却保存了重要的信息,比如所属类,参数类型等。
另外的一个类:
class CShape_V
{
        int b1;
public:
        virtual void play()
        {
                cout << "CShape::play /n";
        }  
        virtual void display()
        {
                cout <<b1<< "Shape /n";
        }
};

在栈区,它占据了八个字节,用于存放成员数据b1和指向一个一维数组首地址的指针。

二,vtable

为了达到后期联编的目的,VC编译器通过一个表,在执行期间接地调用了实际上需要调用的函数(注意是“间接”),这个表可称为“虚拟函数地址表”(在很多影印版的图书中常称之为vtable),每个类中含有虚拟函数的对象,编译器都会为它们指定一个虚拟函数地址表,虚拟函数地址表是个函数指针数组,保存在数据区,它由此类对象所共用(静态)。此外,编译器当然也会为它加上一个成员变量,一个指向自己的“虚拟函数地址表”的指针(常称之为vptr),并且放在了对象的首地址上
每一个由此类分配出的对象,都有这么个vptr,每当我们通过这个对象调用虚拟函数时,实际上是通过vptr找到vtable,再通过偏移量找出真正的函数地址
奥妙在于这个vtable以及这种间接调用方式,vtable是按照类中虚拟函数声明的顺序,一一填入函数地址。派生类会继承基类的vtable(当然还有其他可以继承的成员),当我们在派生类里修改了虚拟函数时,派生类的vtable中的内容也被修改,表中相应的元素不在是基类的函数地址,而是派生类的函数地址

三,分析:
//vTest.cpp
#include <iostream.h>
//--------------------------------------------
class CShape
{
        int b1;
public:
      
        void MyTest(){
             cout << "CShape::MyTest /n";
        }
        virtual void play()
        {
         cout << "CShape::play /n";
         }
        virtual void display()
        {
        cout <<b1<< "Shape /n";
        }

};
//--------------------------------------------
class       int b2;
public:
      
        void MyTest()
        {
         cout << "CRect::MyTest /n";
        }
         void display()
         {
         cout <<b2<< "Rectangle /n";
         }
};
//--------------------------------------------
class       int b3;
public:   
      
        void MyTest()
        {
        cout << "CSquare::MyTest /n";
        }
        void display()
        {
        cout <<b3<< "Square /n";
        }
};
//--------------------------------------------
void main()
{
        CShape    aShape;
        CRect     aRect;
        CSquare   aSquare;
        CShape* pShape[3] = { &aShape,&aRect,&aSquare };
        for (int i=0; i< 3; i++)
        {
               pShape[i]->display();
               pShape[i]->MyTest();
        }
}

=====================第二部分====================

107:   void main()
108:   {

004117D0    push         ebp
004117D1    mov          ebp,esp
004117D3    sub          esp,74h
004117D6    push         ebx
004117D7    push         esi
004117D8    push         edi
004117D9    lea          edi,[ebp-74h]
004117DC    mov          ecx,1Dh
004117E1    mov          eax,0CCCCCCCCh
004117E6    rep stos     dword ptr [edi]
109:          CShape    aShape;       //aShape 地址0x0012ff78
004117E8    lea          ecx,[ebp-8] ;ebp 为0x0012ff80,执行后ecx为0012ff78,
004117EB    call         @ILT+65(ostream::operator<<) (00401046)
110:          CRect1     aRect;       //aRect 0x0012ff6c
004117F0    lea          ecx,[ebp-14h]   ;ebp 为0x0012ff80,执行后eex为0012ff6c,即指向aRect,也

就是aRect的this指针,相关教材上说this一般保存在ecx。
004117F3    call         @ILT+80(CRect::CRect) (00401055)   ;构造函数(后面详细讲解)
111:          CSquare   aSquare; //aSquare 地址0x0012ff5c
004117F8    lea          ecx,[ebp-24h] //ecx为0x0012ff5c,ebp为0012ff80
004117FB    call         @ILT+60(CSquare::CSquare) (00401041) ;构造函数
112:          CShape* pShape[3] = { &aShape,&aRect,&aSquare }; //pShape为0x0012ff50
00411800    lea          eax,[ebp-8] //ebp=0x0012ff80;eax=0x0012ff78,即为aShape的地址
00411803    mov          dword ptr [ebp-30h],eax;把eax发到ebp-30h的内容空间里(4个字节),

ebp=0x0012ff80,[ebp-30]=0x0012ff50即pShape的地址。
00411806    lea          ecx,[ebp-14h];ecx=0x0012ff6c即为aRect
00411809    mov          dword ptr [ebp-2Ch],ecx //[ebp-2c]=0x0012ff54,即为pShape[1]
0041180C    lea          edx,[ebp-24h]   //同理
0041180F    mov          dword ptr [ebp-28h],edx //同上
113:          for (int i=0; i< 3; i++)   //i地址0x0012ff4c
00411812    mov          dword ptr [ebp-34h],0   //内存为0x0012ff80-34h=012ff4c,即i
00411819    jmp          main+54h (00411824)    ;跳到00411824
0041181B    mov          eax,dword ptr [ebp-34h] ;把i给eax;
0041181E    add          eax,1                    ;eax加1
00411821    mov          dword ptr [ebp-34h],eax ;eax再加1,上面三条指令完成i++
00411824    cmp          dword ptr [ebp-34h],3    ;把i和3做比较
00411828    jge          main+84h (00411854)      ;如果不小于则跳到00411854
114:          {
115:                 pShape[i]->display();       ;   //下面以i=1为例,aRect1

0041182A    mov          ecx,dword ptr [ebp-34h] ;ebp-34h为i的内存,把i给ecx;
0041182D    mov          ecx,dword ptr [ebp+ecx*4-30h] ;基址+变址寻址 ebp-30h为pShape的地址

,ecx(i)为变址,通过i索引数组里不同的对象;最后ecx得到了当前对象的this指针即对象的地址
00411831    mov          edx,dword ptr [ebp-34h] ;i给edx
00411834    mov          eax,dword ptr [ebp+edx*4-30h];eax同样得到了对象的地址,eax=0x0012ff6c
00411838    mov          edx,dword ptr [eax] ;[eax]放着对像,对象的第一个数据是vtable的地址,

所以[edx]里面是对象的第一个虚函数;edx=0x00429114,[edx]=0x00401050
0041183A    mov          esi,esp ;
0041183C    call         dword ptr [edx+4] ;[edx+4]为第二个虚函数的地址。[edx+4]=0x0040105a,虚函数的地址。间接。这个虚函数的调用:取得this指针,得vtable,根据vtable里面的地址,得出虚函数。
0041183F    cmp          esi,esp               ;//??
00411841    call         __chkesp (004011e0)   ;堆栈清除
116:                 pShape[i]->MyTest();
00411846    mov          eax,dword ptr [ebp-34h] ;i
00411849    mov          ecx,dword ptr [ebp+eax*4-30h] ;对象地址
0041184D    call         @ILT+25(CShape::MyTest) (0040101e) ;//调用CShape::MyTest函数,注意这2个函数的调用方法的区别
117:          }
00411852    jmp          main+4Bh (0041181b)   ;跳回
118:
119:   }

00411854    pop          edi
00411855    pop          esi
00411856    pop          ebx
00411857    add          esp,74h
0041185A    cmp          ebp,esp
0041185C    call         __chkesp (004011e0)
00411861    mov          esp,ebp
00411863    pop          ebp
00411864    ret

分析CRect1 aRect的构造函数:
110:          CRect1     aRect;
004117F0    lea          ecx,[ebp-14h]
004117F3    call         @ILT+80(CRect::CRect) (00401055)
函数从call 进入:跳转到0x00401055可以看到:
00401055    jmp          CRect1::CRect1 (00411530)
0040105A    jmp          CRect1::display (00411580)
0040105F    int          3
00401060    int          3
00401061    int          3
在跟进去:
73:           CRect1():b2(2){};
00411530    push         ebp
00411531    mov          ebp,esp
00411533    sub          esp,44h
00411536    push         ebx
00411537    push         esi
00411538    push         edi
00411539    push         ecx //堆栈保护
0041153A    lea          edi,[ebp-44h]   //ebp=0x0012fef8 ,edi=0x0012ffb4
0041153D    mov          ecx,11h         ;
00411542    mov          eax,0CCCCCCCCh
00411547    rep stos     dword ptr [edi] ;以上三条把
00411549    pop          ecx               ;0x0012ff6c(好熟悉啊,就是aRect1的地址,this指针)
0041154A    mov          dword ptr [ebp-4],ecx ;
0041154D    mov          ecx,dword ptr [ebp-4]
00411550    call         @ILT+65(ostream::operator<<) (00401046) ;00401046为00401046    jmp          CShape::CShape (004010a0)一看就知道是CShape的构造函数。
00411555    mov          eax,dword ptr [ebp-4] ;把ecx给eax,即this,首地址为vtable的地址
00411558    mov          dword ptr [eax+8],2   ;[eax+4]为b1,[eax+8]为b2,b2=0
0041155F    mov          ecx,dword ptr [ebp-4] ;ecx=this
00411562    mov         dword ptr [ecx],offset CRect1::`vftable' (00429114);把vftable的地址付给[ecx]这个内存,即[ecx]里面是aftable的地址,[ecx]=0x00429114
跟踪:00429114里面有2个元素,一个0x00401050 ostream::operator,另外一个0x0040105a :CRect1::display(),初始化的时候,把虚函数的地址放进去。上面调用。

00411568    mov          eax,dword ptr [ebp-4]
0041156B    pop          edi
0041156C    pop          esi
0041156D    pop          ebx
0041156E    add          esp,44h
00411571    cmp          ebp,esp
00411573    call         __chkesp (004011e0)
00411578    mov          esp,ebp
0041157A    pop          ebp
0041157B    ret

    主要部分在蓝色部分, 2个地方,前一个是如何调用虚函数,后面一个在构造函数中如何初始化构造函数。

 

 

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