Vtables 和这个指针

vtables and this pointer

本文关键字：指针 Vtables      更新时间：2023-10-16

我试图更多地了解vtables和vpointers的内部工作原理，所以我决定尝试使用一些技巧直接访问vtable。我创建了两个类，Base 和 Derv，每个类有两个virtual函数（Derv覆盖Base的函数）。

class Base
{
    int x;
    int y;
    public:
        Base(int x_, int y_) : x(x_), y(y_) {}
        virtual void foo() { cout << "Base::foo(): x = " << x << 'n'; }    
        virtual void bar() { cout << "Base::bar(): y = " << y << 'n'; }
};
class Derv: public Base
{
    int x;
    int y;
    public:
        Derv(int x_, int y_) : Base(x_, y_), x(x_), y(y_) {}
        virtual void foo() { cout << "Derived::foo(): x = " << x << 'n'; }
        virtual void bar() { cout << "Derived::bar(): y = " << y << 'n'; }
};

现在，编译器为每个类添加一个 vtable 指针，占用内存中的前 4 个字节（32 位）。我通过将对象的地址转换为size_t*来访问此指针，因为指针指向另一个大小为 sizeof(size_t) 的指针。现在可以通过索引 vpointer 并将结果强制转换为适当类型的函数指针来访问虚函数。我将这些步骤封装在一个函数中： 

template <typename T>
void call(T *ptr, size_t num)
{
    typedef void (*FunPtr)();
    size_t *vptr = *reinterpret_cast<size_t**>(ptr);
    FunPtr fun = reinterpret_cast<FunPtr>(vptr[num]);
    //setThisPtr(ptr);      added later, see below!
    fun();
}

当以这种方式调用其中一个成员函数时，例如 call(new Base(1, 2), 0)调用 Base：：foo（），很难预测会发生什么，因为它们是在没有 this -指针的情况下调用的。我通过添加一点模板化函数来解决这个问题，知道 g++ 将 this 指针存储在ecx寄存器中（但这迫使我使用 -m32 编译器标志进行编译）：

template <typename T>
void setThisPtr(T *ptr)
{  
    asm ( mov %0, %%ecx;" :: "r" (ptr) );
}

取消上面代码片段中的setThisPtr(ptr)行注释现在使其成为一个工作程序：

int main()
{
    Base* base = new Base(1, 2);
    Base* derv =  new Derv(3, 4);
    call(base, 0); // "Base::foo(): x = 1" 
    call(base, 1); // "Base::bar(): y = 2"
    call(derv, 0); // "Derv::foo(): x = 3"
    call(derv, 1); // "Derv::bar(): y = 4"
}

我决定分享这个，因为在编写这个小程序的过程中，我对 vtables 的工作原理有了更多的了解，它可能会帮助其他人更好地理解这些材料。但是我仍然有一些问题：
1. 编译 64 位二进制文件时，使用哪个寄存器 （gcc 4.x） 来存储 this 指针？我尝试了此处记录的所有 64 位寄存器：http://developers.sun.com/solaris/articles/asmregs.html
2. 何时/如何设置此指针？我怀疑编译器通过对象在每个函数调用上设置 this 指针的方式与我刚刚的方式类似。这是多态性的实际工作方式吗？（通过先设置 this 指针，然后从 vtable 调用虚函数？

在 Linux x86_64 上，我相信其他类 UNIX 操作系统，函数调用遵循 System V ABI（AMD64），它本身遵循 IA-64 C++ ABI 表示C++。 根据方法的类型，this指针通过第一个参数或第二个参数隐式传递（当返回值具有非平凡的复制构造函数或析构函数时，它必须作为堆栈上的临时存在，并且第一个参数隐式是指向该空间的指针）;否则，虚方法调用与 C 中的函数调用相同（整数/指针参数在 %rdi、%rsi、%rdx、%rcx、%r8、%r9、溢出到堆栈;整数/指针返回在 %rax 中;浮点数在 %xmm0 - %xmm7 等）。 虚拟方法调度的工作原理是在 vtable 中查找指针，然后像非虚拟方法一样调用它。

我不太熟悉 Windows x64 约定，但我相信它是相似的，因为C++方法调用遵循与 C 函数调用完全相同的结构（使用 与 Linux 不同的寄存器），只是首先使用隐式this参数。

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