Linux Debugging(四): 使用GDB来理解C++ 对象的内存布局(多重继承,虚继承)

时间:2023-05-12 20:51:44

前一段时间再次拜读《Inside the C++ Object Model》 深入探索C++对象模型,有了进一步的理解,因此我也写了四篇博文算是读书笔记:

Program Transformation Semantics (程序转换语义学)

The Semantics of Copy Constructors(拷贝构造函数之编译背后的行为)

The Semantics of Constructors: The Default Constructor (默认构造函数什么时候会被创建出来)

The Semantics of Data: Data语义学 深入探索C++对象模型

这些文章都获得了很大的浏览量,虽然类似的博文原来都有,可能不容易被现在仍活跃在CSDN Blog的各位同仁看到吧。因此萌生了接着将这这本书读完的同时,再接着谈一下我的理解,或者说读书笔记。

关于C++虚函数,很多博文从各个角度来探究虚函数是如何实现的,或者说编译器是如何实现虚函数的。比较经典的文章有陈皓先生的《C++虚函数表解析》和《C++对象内存布局》。本文通过GDB来从另外一个角度来理解C++
object的内存布局,一来熟悉语言背后编译器为了实现语言特性为我们做了什么;二来熟悉使用GDB来调试程序。

同时,本文也将对如何更好的理解C++语言提供了一个方法:使用GDB,可以很直观的理解编译器的实现,从根本上掌握C++!我们不单单只会开车,还应该知道车的内部的构造。

2、带有虚函数的单一继承

class Parent
{
public:
  Parent():numInParent(1111)
  {}
  virtual void Foo(){
  };
  virtual void Boo(){
  };
private:
  int numInParent;
}; class Child: public Parent
{
public:
  Child():numInChild(2222){}
  virtual void Foo(){
  }
  int numInChild;
};

编译时不要忘记-g,使得gdb可以把各个地址映射成函数名。

(gdb) set p obj on
(gdb) p *this
$2 = (Child) {<Parent> = {_vptr.Parent = 0x400a30, numInParent = 1111}, numInChild = 2222}
(gdb) set p pretty on
(gdb) p *this
$3 = (Child) {
<Parent> = {
_vptr.Parent = 0x400a30,
numInParent = 1111
},
members of Child:
numInChild = 2222
}
(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@3
$4 = {0x4008ec <Child::Foo()>, 0x4008b4 <Parent::Boo()>, 0x6010b0 <_ZTVN10__cxxabiv120__si_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>}

解释一下gdb的命令:

set p obj <on/off>: 在C++中,如果一个对象指针指向其派生类,如果打开这个选项,GDB会自动按照虚方法调用的规则显示输出,如果关闭这个选项的话,GDB就不管虚函数表了。这个选项默认是off。 使用show print object查看对象选项的设置。

set p pertty <on/off>: 按照层次打印结构体。可以从设置前后看到这个区别。on的确更容易阅读。

p /a (*(void ***)this)[0]@3

就是打印虚函数表了。因为知道是两个,可以仅仅打印2个元素。为了知道下一个存储了什么信息,我们打印了3个值。实际上后几个元素存储了Parent 和Child的typeinfo name和typeinfo。

总结:

对于单一继承,

1. vptr存储到了object的开始。

2. 在vptr之后,从Parent开始的data member按照声明顺序依次存储。

3. 多重继承,包含有相同的父类

Linux Debugging(四): 使用GDB来理解C++ 对象的内存布局(多重继承,虚继承)

对应的C++codes:

class Point2d{
public:
virtual void Foo(){}
virtual void Boo(){}
virtual void non_overwrite(){}
protected:
float _x, _y;
}; class Vertex: public Point2d{
public:
virtual void Foo(){}
virtual void BooVer(){}
protected:
Vertex *next;
}; class Point3d: public Point2d{
public:
virtual void Boo3d(){}
protected:
float _z;
}; class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
void test(){}
protected:
float mumble;
};

使用GDB打印的对象内存布局:

 <Vertex> = {
<Point2d> = {
_vptr.Point2d = 0x400ab0,
_x = 5.88090213e-39,
_y = 0
},
members of Vertex:
next = 0x0
},
<Point3d> = {
<Point2d> = {
_vptr.Point2d = 0x400ae0,
_x = -nan(0x7fe180),
_y = 4.59163468e-41
},
members of Point3d:
_z = 0
},
members of Vertex3d:
mumble = 0
}

可见v3d有两个vptr,指向不同的vtable。首先看一下第一个:

(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@5
$9 = {0x4008be <Vertex::Foo()>,
0x4008aa <Point2d::Boo()>,
0x4008b4 <Point2d::non_overwrite()>,
0x4008c8 <Vertex::BooVer()>,
0xffffffffffffffe8}
(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@6
$10 = {0x4008be <Vertex::Foo()>,
0x4008aa <Point2d::Boo()>,
0x4008b4 <Point2d::non_overwrite()>,
0x4008c8 <Vertex::BooVer()>,
0xffffffffffffffe8,
0x400b00 <_ZTI8Vertex3d>}
(gdb) info addr _ZTI8Vertex3d
Symbol "typeinfo for Vertex3d" is at 0x400b00 in a file compiled without debugging.

你可以注意到了,vtable打印分行了,可以使用 set p array on将打印的数组分行,以逗号结尾。

注意到该虚函数表以

0xffffffffffffffe8

结尾。在单一继承中是没有这个结束标识的。

接着看第二个vtable:

(gdb) p /a (*(void ***)this)[1]@5
$11 = {0x4008b2 <Point2d::Boo()>,
0x4008bc <Point2d::non_overwrite()>,
0x4008d0 <Vertex::BooVer()>,
0xffffffffffffffe8,
0x400b00 <_ZTI8Vertex3d>}
(gdb) info addr _ZTI8Vertex3d
Symbol "typeinfo for Vertex3d" is at 0x400b00 in a file compiled without debugging.

当然这个只是为了举个例子。现实中很少有人这么干吧。比如访问Foo,下面的code将会导致歧义性错误:

v3d.Boo();

error: request for member Boo is ambiguous

multiInheritance.cpp:8: error: candidates are: virtual void Point2d::Boo()

只能指定具体的subobject才能进行具体调用:

v3d.::Vertex::Boo();

4. 虚拟继承

C++ codes:

class Point2d{
public:
virtual void Foo(){}
virtual void Boo(){}
virtual void non_overwrite(){}
protected:
float _x, _y;
}; class Vertex: public virtual Point2d{
public:
virtual void Foo(){}
virtual void BooVer(){}
protected:
Vertex *next;
}; class Point3d: public virtual Point2d{
public:
virtual void Boo3d(){}
protected:
float _z;
}; class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
void test(){}
protected:
float mumble;
};

继承关系图:

Linux Debugging(四): 使用GDB来理解C++ 对象的内存布局(多重继承,虚继承)

使用gdb打印object的内存布局:

(gdb) p *this
$10 = (Vertex3d) {
<Vertex> = {
<Point2d> = {
_vptr.Point2d = 0x400b70,
_x = 0,
_y = 0
},
members of Vertex:
_vptr.Vertex = 0x400b18,
next = 0x4009c0
},
<Point3d> = {
members of Point3d:
_vptr.Point3d = 0x400b40,
_z = 5.87993804e-39
},
members of Vertex3d:
mumble =  0
}

gdb打印的vptr相关:

(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@60
$25 = {0x400870 <Vertex::Foo()>,
0x40087a <Vertex::BooVer()>,
0x10,
0xfffffffffffffff0,
0x400c80 <_ZTI8Vertex3d>, #"typeinfo for Vertex3d"
0x400884 <Point3d::Boo3d()>,
0x0,
0x0,
0xffffffffffffffe0,
0xffffffffffffffe0,
0x400c80 <_ZTI8Vertex3d>, #"typeinfo for Vertex3d"
0x400866 <_ZTv0_n24_N6Vertex3FooEv>, #"virtual thunk to Vertex::Foo()"
0x400852 <Point2d::Boo()>,
0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
0x0,
0x0,
0x0,
0x20,
0x0,
0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
0x400870 <Vertex::Foo()>,
0x40087a <Vertex::BooVer()>,
0x0,
0x0,
0xffffffffffffffe0,
0xffffffffffffffe0,
0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
0x400866 <_ZTv0_n24_N6Vertex3FooEv>, #"virtual thunk to Vertex::Foo()"
0x400852 <Point2d::Boo()>,
0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
0x0,
0x0,
0x0,
0x10,
0x0,
0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
0x400884 <Point3d::Boo3d()>,
0x0,
0x0,
0x0,
0xfffffffffffffff0,
0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
0x400848 <Point2d::Foo()>,
0x400852 <Point2d::Boo()>,
0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
0x6020b0 <_ZTVN10__cxxabiv121__vmi_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>,
0x400d28 <_ZTS8Vertex3d>,
0x200000002,
0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
0x2,
0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
0x1002,
0x0,
0x6020b0 <_ZTVN10__cxxabiv121__vmi_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>,
0x400d32 <_ZTS6Vertex>,
0x100000000,
0x400d40 <_ZTI7Point2d>,
0xffffffffffffe803,
0x0,
0x0}

有兴趣的话可以看一下反汇编的vtable的构成。

参考:

1. http://*.com/questions/6191678/print-c-vtables-using-gdb

2. http://*.com/questions/18363899/how-to-display-a-vtable-by-name-using-gdb

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