深入研究虚函数和vtable

 

深入研究虚函数和vtable

国防科技大学计算机学院     褚瑞

        在面向对象的C++语言中，虚函数（virtual function）是一个非常重要的概念。因为它充分体现了面向对象思想中的继承和多态性这两大特性，在C++语言里应用极广。比如在微软的MFC类库中，你会发现很多函数都有virtual关键字，也就是说，它们都是虚函数。难怪有人甚至称虚函数是C++语言的精髓。

        那么，什么是虚函数呢，我们先来看看微软的解释：

        虚函数是指一个类中你希望重载的成员函数，当你用一个基类指针或引用指向一个继承类对象的时候，你调用一个虚函数，实际调用的是继承类的版本。

                                                               ——摘自MSDN

        这个定义说得不是很明白。MSDN中还给出了一个例子，但是它的例子也并不能很好的说明问题。我们自己编写这样一个例子：

#include "stdio.h"

#include "conio.h"

 

class Parent

{

public:

  char data[20];

  void Function1();

  virtual void Function2();   // 这里声明Function2是虚函数

}parent;

void Parent::Function1()

{

  printf("This is parent,function1/n");

}

void Parent::Function2()

{

  printf("This is parent,function2/n");

}

 

class Child:public Parent

{

  void Function1();

  void Function2();

} child;

void Child::Function1()

{

  printf("This is child,function1/n");

}

void Child::Function2()

{

  printf("This is child,function2/n");

}

 

int main(int argc, char* argv[])

{

  Parent *p;  // 定义一个基类指针

  if(_getch()=='c')     // 如果输入一个小写字母c

       p=&child;         // 指向继承类对象

  else

       p=&parent;       // 否则指向基类对象

p->Function1();   // 这里在编译时会直接给出Parent::Function1()的

                                   入口地址。

  p->Function2();    // 注意这里，执行的是哪一个Function2？

  return 0;

}

        用任意版本的Visual C++或Borland C++编译并运行，输入一个小写字母c，得到下面的结果：

This is parent,function1

This is child,function2

      为什么会有第一行的结果呢？因为我们是用一个Parent类的指针调用函数Fuction1()，虽然实际上这个指针指向的是Child类的对象，但编译器无法知道这一事实（直到运行的时候，程序才可以根据用户的输入判断出指针指向的对象），它只能按照调用Parent类的函数来理解并编译，所以我们看到了第一行的结果。

        那么第二行的结果又是怎么回事呢？我们注意到，Function2()函数在基类中被virtual关键字修饰，也就是说，它是一个虚函数。虚函数最关键的特点是“动态联编”，它可以在运行时判断指针指向的对象，并自动调用相应的函数。如果我们在运行上面的程序时任意输入一个非c的字符，结果如下：

This is parent,function1

This is parent,function2

        请注意看第二行，它的结果出现了变化。程序中仅仅调用了一个Function2()函数，却可以根据用户的输入自动决定到底调用基类中的Function2还是继承类中的Function2，这就是虚函数的作用。我们知道，在MFC中，很多类都是需要你继承的，它们的成员函数很多都要重载，比如编写MFC应用程序最常用的CView::OnDraw(CDC*)函数，就必须重载使用。把它定义为虚函数（实际上，在MFC中OnDraw不仅是虚函数，还是纯虚函数），可以保证时刻调用的是用户自己编写的OnDraw。虚函数的重要用途在这里可见一斑。

      在了解虚函数的基础之上，我们考虑这样的问题：一个基类指针必须知道它所指向的对象是基类还是继承类的示例，才能在调用虚函数时“自动”决定应该调用哪个版本，它是如何知道的？有些讲C++的书上提到，这种“动态联编”的机制是通过一个“vtable”实现的，vtable是什么？微软在关于COM的文档里这样描述：

        vtable是指一张函数指针表，如同C++中类的实现一样，vtable中的指针指向一个对象支持的接口成员函数。       

                                                               ——摘自MSDN

        很遗憾，微软这次还是没有把问题说清楚，当然，上面的文档本来就是关于COM的，与我们关心的问题不同。

        那么vtable是什么？我们先来看看下面的实验：

        在前面的示例程序中加一句 printf(“%d”,sizeof(Child)); 运行，然后去掉Function2()前的virtual关键字，再运行，得到这样的结果：当Function2定义成虚函数的时候，结果是24，否则结果是20。也就是说，如果Function2不是虚函数，一个Child类的示例所占空间的大小仅仅是它的成员变量data数组的大小，如果Function2是虚函数，结果多了4个字节。我们使用的是32位的Visual C++ 6.0，4个字节恰好是一个指针，或者是一个整数所占的空间。

        那么这多出来的四个字节究竟起到了什么作用？

        用Visual C++打开前面的示例程序，在main函数中p->Function1(); 一句前面按F9设断点，按F5开始调试，输入一个小写c，程序停到了我们设的断点上。找到Debug工具条，按Disassembly按钮，如图所示：

        我们看到了反汇编后的代码。由上图可见，对Function1和Function2的调用反汇编后生成的代码截然不同。Function1不是虚函数，因此对它的调用仅仅被编译成为一条call指令，转向Parent::Function1子程序；而Function2是虚函数，它的代码要复杂一些，我们来仔细分析：

45:       p->Function2();   

004012CA   mov      eax,dword ptr [ebp-4]

// eax就是我们的p指针

004012CD   mov      edx,dword ptr [eax]

// edx取child对象头部四个字节

004012CF   mov       esi,esp

004012D1   mov       ecx,dword ptr [ebp-4]

// 可能要检查栈，不管它

004012D4   call        dword ptr [edx]

// 注意这里，调用了child对象头部的一个函数指针

004012D6   cmp       esi,esp

004012D8   call         __chkesp (004013b0)

这里最关键的一句是call dword ptr[edx]，edx是child对象头部，前面我们分析过了，child对象共有24字节，其中成员变量占用20字节，还有4个字节作用未知。现在从这段汇编代码上看，那4个字节很可能就是child对象开头的这个函数指针，因为编译器并不知道我们的成员变量data是做什么用的，更不可能把data的任何一部分当成一个函数指针来处理。

那么这个函数指针会跳转到那里去呢？我们按F10单步运行到这个call指令，然后按F11跟进去：

00401032   jmp         Parent::Function2 (0040bfe0)

00401037   jmp         Parent::Parent (004010d0)

    →  0040103C   jmp         Child::Function2 (00401250)

00401041   jmp         Child::Child (004011c0)

光标停在了第三行，40103C的地方，执行这里的jmp指令后，又跳转到Child::Function2的位置，从而得到我们上面所看到的结果。

这并不是最终的结论，我们看看40103C周围的几行代码，连续几行全都是jmp指令，这是什么程序结构？有汇编语言编程经验的朋友可能会想起来了，这是一张入口表，分别存放着到几个重要函数的跳转指令！我们再回去看看微软对于vtable的描述：vtable是指一张函数指针表，（如同C++中类的实现一样，）vtable中的指针指向（一个对象支持的接口）成员函数。打括号的字不要看，这句话的主干就是：vtable是一张函数指针表，指向成员函数。种种事实证明，上面的四行代码就是我们要找的这个vtable！

现在我们应该对虚函数的原理有一个认识了。每个虚函数都在vtable中占了一个表项，保存着一条跳转到它的入口地址的指令（实际上就是保存了它的入口地址）。当一个包含虚函数的对象（注意，不是对象的指针）被创建的时候，它在头部附加一个指针，指向vtable中相应位置。调用虚函数的时候，不管你是用什么指针调用的，它先根据vtable找到入口地址再执行，从而实现了“动态联编”。而不像普通函数那样简单地跳转到一个固定地址。

以上结论仅仅是针对Visual C++ 6.0编译器而言的，对于其他编译器，具体实现并不完全相同，但都大同小异。著名的“绿色兵团”杂志上撰文介绍，Linux平台上的GNU C++编译器就把指向vtable的指针放在对象尾部而不是头部，而且vtable中仅仅存放虚函数的入口地址，而不是跳转到虚函数的指令。具体的一些细节，篇幅所限，我们这里不再讨论，希望有兴趣的朋友能继续研究。