0%

C++虚函数

C++中有编译时多态和运行时多态,运行时多态是由虚函数实现的。虚函数是用过虚函数表(vftable,virtual function table)来实现的,这个表包含了这个类的虚函数地址,解决了继承、覆盖。当使用父类指针来操作一个子类对象的时候,通过子类对象的虚函数表指针(vfptr,virtual function table pointer)找到子类的vftable,进而找到应该调用的函数。

虚函数表

当一个类声明了虚函数或者继承了带有虚函数的父类,这个类就会有自己的vftable。vftable的实现大都为一个函数指针数组,每个函数指针指向该类的一个虚函数,同时该类的每个对象都会包含一个vfptr,vfptr指向vftable。

1
2
3
4
5
6
7
8
class Base
{
public:
virtual void a() { cout << "Base::a" << endl; }
virtual void b() { cout << "Base::b" << endl; }
virtual void c() { cout << "Base::c" << endl; }
virtual void d() { cout << "Base::d" << endl; }
};

定义一个Base类型对象,Base bb的vfptr如下:

  • address of vfptr: &b,
  • address of vftable: *(int*)(&b),
  • address of the first function in vftable: (int*)(*(int*)(&b)),
  • the first function pointer: (void(*)(void))*(int*)(*(int*)(&b)),
  • the second function pointer: (void(*)(void))*((int*)*(int*)(&b) + 1) or (void(*)(void))*(int*)(*(int*)(&b) + 4),
  • the third function pointer: (void(*)(void))*((int*)*(int*)(&b) + 2) or (void(*)(void))*(int*)(*(int*)(&b) + 8).

一般继承

无虚函数override

对于一般继承、无虚函数override的情况,虚函数按照声明顺序放在表中,父类的虚函数在子类的虚函数前。

有虚函数override

如果有覆盖,那么被覆盖的虚函数被替换为子类中的函数,没有被覆盖的虚函数不变。

1
2
3
4
5
6
7
class Derived : public Base {
public:
void a() { cout << "Derived::a" << endl; }
virtual void ad() { cout << "Derived::ad" << endl; }
virtual void bd() { cout << "Derived::bd" << endl; }
virtual void cd() { cout << "Derived::cd" << endl; }
};

定义一个Base类指针,Base* bd = new Derived()bd的vfptr下如下:

上图并未列出在Derived定义的三个函数,查看bd处内存,

前12 byte是前面列出的,接下来的12 byte就是Derived::ad()Derived::bd()Derived::cd(),可以通过((void(*)(void))*((int*)*(int*)bd + 3))()等调用。

多重继承

无虚函数override

对于没有虚函数覆盖的多重继承,每个父类都有自己的虚函数表,按照声明顺序,子类的成员函数被放到了第一个父类的表中。

有虚函数override

如果有虚函数覆盖,那么每个父类虚函数表中被覆盖的虚函数被替换为子类的函数指针。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
class Base1
{
public:
virtual void a() { cout << "Base1::a" << endl; }
virtual void b() { cout << "Base1::b" << endl; }
virtual void c() { cout << "Base1::c" << endl; }
void d() { cout << "Base1::d" << endl; }
};

class Base2
{
public:
virtual void a() { cout << "Base2::a" << endl; }
virtual void b() { cout << "Base2::b" << endl; }
virtual void c() { cout << "Base2::c" << endl; }
void d() { cout << "Base2::d" << endl; }
};

class Derived : public Base, public Base1, public Base2 {
public:
void a() { cout << "Derived::a" << endl; }
virtual void ad() { cout << "Derived::ad" << endl; }
virtual void bd() { cout << "Derived::bd" << endl; }
virtual void cd() { cout << "Derived::cd" << endl; }
};

定义一个Base类指针,Base* bd = new Derived()bd的vfptr下如下:

三个vfptr可分别由(int*)*(int*)bd(int*)*((int*)bd+1)(int*)*((int*)bd+2)得到,或者以数组的方式(int*)(((int*)bd)[0])、…。

访问non-public函数

只要有类中定义了虚函数,那么一定有虚函数表。通过指针访问虚函数表的方式,就算虚函数是non-public的,也能够访问到。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
class Derived1 {
private:
virtual void ad() { cout << "Derived1::ad" << endl; }
virtual void bd() { cout << "Derived1::bd" << endl; }
virtual void cd() { cout << "Derived1::cd" << endl; }
};

Derived1* bd1 = new Derived1();
pf = (void(*)(void))*((int*)*(int*)bd1);
pf();

编译环境

Visual Studio 2015, platform x86。在Visual Studio 2015、platform x86下, sizeof(int) = 4, sizeof(int*) = 4

如果是x64,则sizeof(int*) = 8,那么无论是在LP64(Linux常用)下,还是在LLP64(Windows)下,(int*)(*(int*)(&b))并不能得到vftable中第一个函数的正确地址,解引用截断了高4 byte,把高4 byte的值作为int。如果vftable的正确地址是0x00007ff6 1f5aaf08,那么(int*)(*(int*)(&b))得到的是0x00000000 1f5aaf08

与此同时,不同的编译器对vfptr和vftable可能有不同的实现方式,上述访问方法不一定能够在其他编译器中使用。

References

  1. Data model
  2. C++虚函数浅析
  3. C++ 虚表解析
  4. 对陈皓博客《C++虚函数解析》的补充