导言
本篇探究普通多继承（没有虚继承）下的虚函数表。示例代码如下：- #include <iostream>
- struct X {
- virtual ~X() {}
- virtual void zoo() { std::cout << "X::zoo()\n"; }
- int x_data = 100;
- };
- struct A : public X {
- A() { this->funA(); }
- virtual void funA() { std::cout << "A::funA()\n"; }
- virtual ~A() {}
- int a_data = 200;
- };
- struct B : public X {
- B() { this->funB(); }
- virtual void funB() { std::cout << "B::funB()\n"; }
- virtual ~B() {}
- int b_data = 300;
- };
- struct C : public A, public B {
- virtual void foo() {}
- virtual void funA() override { std::cout << "C::funA()\n"; }
- virtual void funB() override { std::cout << "C::funB()\n"; }
- virtual ~C() {};
- int c_data = 400;
- };
- int main(int argc, char *argv[])
- {
- C *p = new C;
- p->foo();
- delete p;
- return 0;
- }
内存布局规律
可以看到，在对象和vtable的内存布局上：
- 按声明顺序依次存放各个基类子对象的虚表指针和非static数据成员，最后存放派生类自己的非static数据成员。
- 完整对象和第一个基类子对象（也称为primary base class）共用一个虚表指针，其余基类子对象各有一个虚表指针。
- 基类子对象的虚表指针指向的是完整对象的vtable，而不是它们自己的vtable。以基类子对象B为例，虚表指针指向了vtable for C + 80的位置，而不是vtable for B + 16。这是实现RTTI的关键。从 0x555555557cd0 到 0x555555557cff ，是B作为C的基类子对象时对应的虚函数表。其中，top_offset是-16，因为从基类子对象B的首地址到完整对象C的首地址，正好差了16字节。typeinfo指针也指向了C类的typeinfo对象，而不是B类自己的，这是因为现在的完整对象是C类型而不是B类型。这样，B类的指针或引用指向C类实例时，通过 typeid 获取到的就是类型C（即实际对象的类型）了，在 dynamic_cast 中，也能通过基类子对象的指针获取到完整对象的类型。
- 完整对象C的vtable的内存布局如下：首先是第一个直接基类A的虚函数表，其中typeinfo信息是C类的，并且，如果C类重写了A类某些虚函数，对应条目要换成C类版本的（比如这里的 C::funA() ）。接着是C类自己的虚函数（比如这里的 C::foo() ），再接下来是C类重写的其它基类的虚函数，按声明顺序排列（比如这里的 C::funB() ）。剩下的，就是其余各个基类的虚函数表，包括了top_offset、typeinfo（都指向C类typeinfo信息）、没有被override的虚函数、被override的虚函数（实际上是non-virtual thunk to的形式，后面详细介绍）等信息。
non-virtual thunk to function
在C类的vtable中，出现了之前没有介绍过的条目 non-virtual thunk to C::~C() 和 non-virtual thunk to C::funB() 。这是什么呢？别急，先考虑下面的问题。- main:
- pushq %r14
- movl $40, %edi # 分配40字节的内存
- pushq %rbx
- subq $8, %rsp
- call operator new(unsigned long) # 调用new操作符分配内存
- movq %rax, %rdi # %rax中保存了new返回的地址，把该地址存入%rdi，作为调用C类构造函数的第一个参数（即this指针）
- movq %rax, %rbx # 保存到%rbx是为了析构时用
- call C::C() [complete object constructor] # 调用C类的对象构造函数
- C::C() [base object constructor]:
- pushq %rbx
- movq %rdi, %rbx
- call A::A() [base object constructor]
- leaq 16(%rbx), %rdi # 调整this指针，为调用B::B()做准备call B::B() [base object constructor]
- movq $vtable for C+16, (%rbx) # 覆盖A类的虚表指针
- movq $vtable for C+80, 16(%rbx) # 覆盖B类的虚表指针
- movl $400, 32(%rbx) # 初始化c_data
- popq %rbx
- ret
- X::X() [base object constructor]:
- movq $vtable for X+16, (%rdi) # 将X类的虚表指针放到内存的前8个字节（this指针指向的位置）
- movl $100, 8(%rdi) # 在接下来的内存中存入X::x_dataret
- A::A() [base object constructor]:
- pushq %rbx
- movq %rdi, %rbx # 保存首地址（this指针）
- call X::X() [base object constructor]
- movq $vtable for A+16, (%rbx) # 将A类的虚表指针放到内存的前8个字节（this指针指向的位置），这覆盖了之前X的虚表指针
- movq %rbx, %rdi # 将this放入%rbi，
- movl $200, 12(%rbx) # 在接下来的内存中存入A::a_datacall A::funA()
- popq %rbx
- ret
其中 .LTHUNK0 是 C::funcB() 的别名，可见，所谓的thunk函数，就是调整指针后再执行真正要执行的函数。
__vmi_class_type_info
ltanium C++ ABI规定，表示typeinfo的类一共有3个：
- __class_type_info ：用于没有基类的多态类，比如本文中的类X。
- __si_class_type_info ：如果一个类只有一个基类，并且该基类是公共的（public继承）、非虚的（不是虚继承），那么，这个类的typeinfo信息就用 __si_class_type_info 表示，比如本文中的类A和类B。
- __vmi_class_type_info ：用于除上述两种情况外的所有其它情况，比如多继承、虚拟继承等。
我们在之前的文章中已经详细介绍过前两个类，现在重点介绍 __vmi_class_type_info ，它的定义如下（仅保留数据成员，完整定义请参考源文件）：- C::C() [base object constructor]:
- pushq %rbx
- movq %rdi, %rbx
- call A::A() [base object constructor]
- leaq 16(%rbx), %rdi
- call B::B() [base object constructor]
- => movq $vtable for C+16, (%rbx) # 覆盖A类的虚表指针
- movq $vtable for C+80, 16(%rbx) # 覆盖B类的虚表指针
- movl $400, 32(%rbx) # 初始化c_data
- popq %rbx
- ret
__flags & __base_count
__flags 表示继承的类型，是 enum __flags_masks 中各个值按位或的结果。对文本中的例子而言，因为是非菱形继承，有重复的基类，因此是 __non_diamond_repeat_mask ，即1。
__base_count 表示直接基类的个数，对文本中的例子而言，C有两个直接基类A和B，因此 __base_count 是2。
__base_info
__base_info 是一个数组，保存了各个直接基类的信息，一共有几个基类，数组中就有几个元素。正如注释所说，这里使用了称为trailing array struct hack的编程技巧，简单说就是可变长度的数组，感兴趣的读者请自行学习。让我们来看看 __base_class_type_info 里有什么。- C *pc = new C;
- B *pb = pc;
其中， __class_type_info 指向了基类的typeinfo信息，而 __offset_flags 同时包含了标志位和offset信息。 __hwm_bit = 2 （hwm是High Water Mark的意思）表明了最低的2 bit用来储存继承关系，即 __virtual_mask = 0x1 和 __public_mask = 0x2 。 __offset_shift = 8 表示从第8 bit开始，储存的是基类子对象在完整对象中的偏移量。而第2 bit到第7 bit，目前暂未使用，留待未来扩展。以B类子对象为例，它的 __offset_flags 字段是0x1002，最低2 bit是 10 ，表明是public继承，不是virtual继承。 0x1002 >> 8 = 0x10 ，表明子对象到完整对象的偏移量是16，正好和top_offset对得上。
总结
- 在完整对象的构造/析构过程中，其虚表指针是随着构造/析构阶段不断变化的，正在构造/析构哪个对象，该对象就相当于“完整对象”，虚表指针就指向该对象的vtable。因为C++标准规定，在对象的构造/析构期间，对象的动态类型被认为是正在构造/析构的那个类，而不是最终派生出的完整类型。
- 在对象的构造/析构阶段，如果在构造函数/析构函数中直接或者间接调用虚函数，就相当于静态调用，即只能调用当前正在构造/析构的那个类自己或者其基类的虚函数，不能调用其派生类的虚函数。例如，在本文例子中，当构造到子对象A时，只能调用A类或者其基类X类中的虚函数，不能调用C类中的虚函数。（参考资料）
- 多重继承下的对象和vtable遵循特定的内存布局，详见上文。
- 当派生类指针赋值给基类指针时，会发生隐式转换，基类指针的值是基类子对象的首地址。当用基类指针调用派生类虚函数时，需要调整 this 指针，这一步由 non-virtual thunk to xxx 函数或者 virtual thunk to xxx 函数完成。
- 多重继承或虚拟继承下，类型的typeinfo信息由 __vmi_class_type_info 定义，该类记录了类的继承方式、基类的类型、基类子对象到完整对象的偏移量等RTTI需要的信息。
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