C++ 虚函数、虚函数表详解与实践
C++中虚函数是实现多态的重要技术，接下来将从汇编、以及gdb调试运行方面下手全面了解虚函数、虚函数表、以及虚函数调用。
原理初认识
- 一个由虚函数的类将会有一个虚函数表，且所有该类的实例化对象共享一个虚函数表。
- 虚函数表将存在代码的
.data.rel.ro段中（该段表示需要重定位的只读数据段），在代码（elf可执行文件）的.rela.dyn段中指出了需要重定位的条目。 - 每个有虚函数的类的实例化对象都有一个指向该类虚函数表的成员指针变量（编译器自动创建）。
- 虚函数的调用会根据对象中的虚函数表去找对应的虚函数地址，然后再去调用对应的虚函数。
- 虚函数表的初始化是在编译时期（编译器直接将对应的虚函数地址放入虚函数表中），实例化对象的指向虚函数表的指针初始化是在构造函数中，其中指向虚函数表的指针是实现动态多态的重要技术。
- 类的构造函数不能是虚函数（原因见下面2.1的分析）。
一探究竟
1. 测试源代码
#include <iostream>
// 父类
class Base {
public:
// 纯虚函数
virtual void call() = 0;
};
// 子类
class SON : public Base {
public:
// 重写父类纯虚函数
void call() override {
std::cout << "vir son call\n";
}
};
int main()
{
Base* myson = new SON;
// 调用重写的call函数
myson->call();
return 0;
}
2. 汇编代码分析
- 调用流程分析
main函数中会先调用SON的构造函数。SON的构造函数中会调用父类Base的构造函数，然后返回SON的构造函数。SON构造函数中会进行虚函数表指针的初始化（将SON类的虚函数表首地址放入该对象的虚函数表指针中）。SON构造函数完成剩下其他初始化就返回到main函数中。
-
由于是先调用父类的构造函数再初始化虚函数表指针，所以如果父类构造函数是虚函数的话，在子类对象虚函数表指针都还没初始化就去调用重写的虚构造函数显然是不行的（因为虚函数表指针都没初始化，怎么能调用到重写的虚构造函数）。
-
对应的汇编代码截屏
-
虚函数表所对应的
.data.rel.ro段，虚函数表地址为0x11d18，其中存放的重写的call函数地址为0xfd8.
-
SON类重写的call函数汇编代码截屏（地址分配为0xfd8）
- 从图二可以看出，在编译阶段编译器就已经将重写的
call地址放入了虚函数表中，所以可以知道了虚函数的初始化是在编译阶段。 - 从上面三张截屏可以看出来在
SON的构造函数中会将该类的虚函数地址放入该对象的虚函数表指针中，所以可以知道了对象的虚函数表指针初始化是在构造函数阶段。
- 从图二可以看出，在编译阶段编译器就已经将重写的
- 在
elf可执行程序执行时，看看虚函数表中对重写的虚函数地址的重定位。
-
.rela.dyn段的截屏，可以看出重定位表项记录了重写的call函数地址需要在加载时重新修改（重定位）
-
gdb调试时虚函数表中重写虚函数的实际地址截屏，可以看出确实被重定位了指向了重写的
call函数的真实地址
-
虚函数的调用
// 将实例化myson的this指针放入x0寄存器中 f38: f94017e0 ldr x0, [sp, #40] // 取出myson的第一个成员变量（即虚函数表指针） f3c: f9400000 ldr x0, [x0] // 访问虚函数表指针指向的空间（即虚函数表第一个表项）并将其放入x1寄存器中（此时x1寄存器中的值就是重写的call函数地址） f40: f9400001 ldr x1, [x0] // 将myson的this指针放入x0寄存器中 f44: f94017e0 ldr x0, [sp, #40] // 函数跳转至x1寄存器中存放的地址（即重写的call函数地址） f48: d63f0020 blr x1
总结
- 在此C++虚函数、虚函数表相关的知识点已经全部从实践的角度分析完。相关结论在1.原理初认识的时候就已经给出。
附录重要汇编代码
感兴趣的朋友可以细看
.rela.dyn段
Relocation section '.rela.dyn' at offset 0xa50 contains 20 entries:
Offset Info Type Sym. Value Sym. Name + Addend
000000011cf0 000000000403 R_AARCH64_RELATIV f10
000000011cf8 000000000403 R_AARCH64_RELATIV fbc
000000011d00 000000000403 R_AARCH64_RELATIV ec0
000000011d10 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 11d38
000000011d18 000000000403 R_AARCH64_RELATIV fd8
000000011d28 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 11d50
000000011d40 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 1088
000000011d48 000000000403 R_AARCH64_RELATIV 11d50
main函数
0000000000000f14 <main>:
f14: a9bd7bfd stp x29, x30, [sp, #-48]!
f18: 910003fd mov x29, sp
f1c: f9000bf3 str x19, [sp, #16]
f20: d2800100 mov x0, #0x8 // #8
f24: 97ffff93 bl d70 <_Znwm@plt>
f28: aa0003f3 mov x19, x0
f2c: aa1303e0 mov x0, x19
f30: 9400003e bl 1028 <_ZN3SONC1Ev>
f34: f90017f3 str x19, [sp, #40]
f38: f94017e0 ldr x0, [sp, #40]
f3c: f9400000 ldr x0, [x0]
f40: f9400001 ldr x1, [x0]
f44: f94017e0 ldr x0, [sp, #40]
f48: d63f0020 blr x1
f4c: 52800000 mov w0, #0x0 // #0
f50: f9400bf3 ldr x19, [sp, #16]
f54: a8c37bfd ldp x29, x30, [sp], #48
f58: d65f03c0 ret
SON、Base类构造函数、重写的call函数
0000000000000fd8 <_ZN3SON4callEv>:
fd8: a9be7bfd stp x29, x30, [sp, #-32]!
fdc: 910003fd mov x29, sp
fe0: f9000fe0 str x0, [sp, #24]
fe4: b0000000 adrp x0, 1000 <_ZN3SON4callEv+0x28>
fe8: 9101e001 add x1, x0, #0x78
fec: b0000080 adrp x0, 11000 <__FRAME_END__+0xfdbc>
ff0: f947ec00 ldr x0, [x0, #4056]
ff4: 97ffff5b bl d60 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
ff8: d503201f nop
ffc: a8c27bfd ldp x29, x30, [sp], #32
1000: d65f03c0 ret
0000000000001004 <_ZN4BaseC1Ev>:
1004: d10043ff sub sp, sp, #0x10
1008: f90007e0 str x0, [sp, #8]
100c: 90000080 adrp x0, 11000 <__FRAME_END__+0xfdbc>
1010: 9134c001 add x1, x0, #0xd30
1014: f94007e0 ldr x0, [sp, #8]
1018: f9000001 str x1, [x0]
101c: d503201f nop
1020: 910043ff add sp, sp, #0x10
1024: d65f03c0 ret
0000000000001028 <_ZN3SONC1Ev>:
1028: a9be7bfd stp x29, x30, [sp, #-32]!
102c: 910003fd mov x29, sp
1030: f9000fe0 str x0, [sp, #24]
1034: f9400fe0 ldr x0, [sp, #24]
1038: 97fffff3 bl 1004 <_ZN4BaseC1Ev>
103c: 90000080 adrp x0, 11000 <__FRAME_END__+0xfdbc>
1040: 91346001 add x1, x0, #0xd18
1044: f9400fe0 ldr x0, [sp, #24]
1048: f9000001 str x1, [x0]
104c: d503201f nop
1050: a8c27bfd ldp x29, x30, [sp], #32
1054: d65f03c0 ret
.data.rel.ro段，虚函数表
Disassembly of section .data.rel.ro:
0000000000011d08 <_ZTV3SON>:
...
11d10: 00011d38 .inst 0x00011d38 ; undefined
11d14: 00000000 udf #0
11d18: 00000fd8 udf #4056
11d1c: 00000000 udf #0
0000000000011d20 <_ZTV4Base>:
...
11d28: 00011d50 .inst 0x00011d50 ; undefined
