虚函数表里有什么？（一）——从一个普通类开始

凤清昶 · 4 天前

前言

本系列文章，旨在探究C++虚函数表中除函数地址以外的条目，以及这些条目的设计意图和作用，并介绍与此相关的C++类对象内存布局，最后将两者用图解的形式结合起来，给读者带来全局性的视角。
这是本系列的第一篇文章，让我们从一个简单的类开始。
本系列文章的实验环境如下：

OS: Ubuntu 22.04.1 LTS x86_64 (virtual machine)
g++: 11.4.0
gdb: 12.1

对象与虚函数表内存布局

我们的探究基于下面这段代码。

1 #include <stdlib.h>
2 #include <stdint.h>
3 #include <string.h>
4
5 class Base
6 {
7 public:
8 Base(uint32_t len)
9 : len_(len)
10 {
11 buf_ = (char *)malloc(len_ * sizeof(char));
12 }
13 virtual ~Base()
14 {
15 if (nullptr != buf_)
16 {
17 free(buf_);
18 buf_ = nullptr;
19 }
20 }
21 void set_buf(const char *str)
22 {
23 if (nullptr != str && nullptr != buf_ && len_ > 0)
24 {
25 strncpy(buf_, str, len_);
26 buf_[len_ - 1] = '\0';
27 }
28 }
29
30 private:
31 uint32_t len_;
32 char *buf_;
33 };
34
35 int main(int argc, char *argv[])
36 {
37 Base base(8);
38 base.set_buf("hello");
39 return 0;
40 }

复制代码

通过Compiler Explorer，可以看到生成的虚函数表的布局以及typeinfo相关内容（这个后文会详细介绍）：

接下来，让我们通过gdb调试更深入地探究虚函数表和对象内存布局。
首先，执行下列命令：

g++ -g -O2 -fno-inline -std=c++20 -Wall main.cpp -o main # 编译代码，假设示例代码命名为main.cpp
gdb main # gdb调试可执行文件，此后进入gdb
b 38 # 在38行处打断点<br>r # run

复制代码

接下来，打印对象和虚函数表的内存布局

x 命令显示的符号是经过Name Mangling的，可以使用 c++filt 命令将其还原。

整体的内存布局如下。

可以看出：

Base 对象的虚表指针并没有指向vtable的起始位置，而是指向了偏移了16个字节的位置，即第一个虚函数地址的位置。
为了内存对齐， Base 对象中插入了4个字节的padding，它的值无关紧要。

到这里，可能有些读者会有疑问，比如，什么是top_offset？为什么会有两个析构函数？别急，往下看。
深入探索

vtable在哪个segment？

我们知道，Linux下可执行文件采用ELF (Executable and Linkable Format) 格式，那么，vtable存放在哪个段 (segment)呢？
要回答这个问题，我们可以在gdb调试中使用 info files 命令打印可执行程序的段信息，然后看看vtable的首地址 0x555555557d68 在哪个段。

可以看到，是存储在.data.rel.ro段。这是一个什么段呢？.data表示数据段，.rel表示重定位 (relocation)，.ro表示只读 (readonly)。.data和.ro都好理解，毕竟vtable显然应该是一种只读的数据，在程序运行期间不应该被修改。那为什么需要重定位呢？
考虑下面这段代码。
[code] 1 // base.h 2 class Base 3 { 4 public: 5 virtual bool is_odd(int n); 6 virtual ~Base() {} 7 }; 8 9 // base.cpp10 #include "base.h"11 12 bool Base::is_odd(int n)13 {14 return 0 == n % 2 ? false : true;15 }16 17 // derived.h18 #include "base.h"19 20 class Derived : public Base21 {22 public:23 virtual bool is_even(int n);24 virtual ~Derived() {}25 };26 27 // derived.cpp28 #include "derived.h"29 30 bool Derived::is_even(int n)31 {32 return !is_odd(n);33 }34 35 // main.cpp36 #include "derived.h"37 #include 38 39 int main()40 {41 Derived *p = new Derived;42 std::cout is_even(10)

账号		自动登录	找回密码
密码			立即注册