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
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:
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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