C++对象模型3——vptr的位置、手动调用虚函数、从汇编代码看普通调用和多态调用

一、vptr的位置

class test
{
public:int i;   virtual void testfunc() {}
};int main()
{test a;char* p1 = reinterpret_cast<char*>(&a);       char* p2 = reinterpret_cast<char*>(&(a.i));  if (p1 == p2) { //如果a.i和a的地址相同，则成员变量i在a对象内存的开头位置，那么虚函数表指针在i的后面位置cout << "虚函数表指针位于对象内存的末尾" << endl;}else {cout << "虚函数表指针位于对象内存的开头" << endl; //本条件会成立}return 0;
}

test的对象模型就是这样的

二、手动调用虚函数

class Base
{
public:virtual void f() {cout << "Base::f()" << endl; }virtual void g() { cout << "Base::g()" << endl; }virtual void h() { cout << "Base::h()" << endl; }
};
class Derive : public Base {
public:void g() {cout << "Derive::g()" << endl; }
};

上述代码中基类和子类的虚函数表如下

可以看出，虚表中除了包含虚函数的函数指针，而且还包括了用于RTTI的typeinfo，而且vptr默认并不使指向虚表的第一个元素，而是指向第一个虚函数，而且虚函数的返回值从void变成了int

基于对象模型和虚表结构，可以手动获取vptr并手动调用虚函数

typedef void (*Func)();
int main()
{Derive* d = new Derive();       long* dvptr = reinterpret_cast<long*>(d);         long* dvfuncptr = reinterpret_cast<long*>(*dvptr);for (int i=0;i<3;++i) {((Func)dvfuncptr[i])();}Base* b = new Base();long* bvptr = (long*)b;long* bvfuncptr = (long*)(*bvptr);for (int i=0;i<3;++i) {((Func)bvfuncptr[i])();}return 0;
}

上述代码中，主要是这两行代码

long* dvptr = reinterpret_cast<long*>(d);
long* dvfuncptr = reinterpret_cast<long*>(*dvptr);

因为vptr在类对象的最开头，占8个字节，所以将Derive*强转成long*，此时解引用就能得到对象的前8个字节的内容，也就是derive对象的vptr。因为有三个虚函数，每个虚函数指针占8个字节，所以再将vptr强转为long*，此时得到的结果就是第一个虚函数的地址。

根据虚表内容和分析结果：derive和base的对象内存模型如下

三、从汇编代码看普通调用和多态调用

int main()
{Derive d;Base b=d;b.g();Base *pb=new Derive();pb->g();return 0;
}

pb将能在编译时期做有以下两点：1、判定Base中函数的权限。2、根据访问权限，调用Base中的可用接口。也就是说，在main中，pb在编译期只能够调用Base的public接口。

第七行对g()的调用会被编译期转化为*(this->vptr[1])(this)，在编译期可以确定的就是vptr指向了一个vtbl，而且知道g()在vtbl中的第二个位置(也就是知道g的索引)，不确定的就是调用的到底是那个类vtbl中的g()，这一点需要在运行时确定。这就是所谓运行时多态

上述代码的对应的部分汇编代码如下

主要是三个红框中的call，第一个对应的是静态调用，直接调用Base::g()，Base::g()的地址在编译期就已经确定（已经被写死），是c72；第二个是创建Derive对象，也是在编译器进行的。而第三个最终调用的是64位累加寄存器RAX存储的函数指针，而RAX中的地址在编译器无法确定，是个变化的值。

所以，只能在运行期计算后得到RAX中的地址值。这就是为啥多态调用需要在运行期确定具体的调用函数，因为累加寄存器中RAX中的地址值是变化的，在运行期才能确定。也正因为静态调用的函数地址直接被写死，而多态调用需要在运行期确定具体的调用函数，所以，静态调用一般要比多态调用速度更快

这就是为什么在C++中被指定的对象的真实类型在每一个特定执行点之前，是无法在编译器解析的，只有通过指针和引用才能完成。相反，如果处理的只是一个类型的实例，它在编译时期就已经完全定义好了。

参考

《深度探索C++对象模型》

《C++新经典：对象模型》

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