从汇编看c++中的多态
在c++中，当一个类含有虚函数的时候，类就具有了多态性。构造函数的一项重要功能就是初始化vptr指针，这是保证多态性的关键步骤。
构造函数初始化vptr指针
下面是c++源码:
class X { private: int i; public: X(int ii) { i = ii; } virtual void set(int ii) {//虚函数 i = ii; } }; int main() { X x(1); }
下面是对应的main函数汇编码:
_main PROC ; 16 : int main() { push ebp mov ebp, esp sub esp, 8;为对象x预留8byte空间 vptr指针占4字节 成员变量i占4byte ; 17 : X x(1); push 1;//将1压栈，作为参数传递给构造函数 lea ecx, DWORD PTR _x$[ebp];//获取x的首地址，即this指针，作为隐含参数传递给构造器 call ??0X@@QAE@H@Z ; 为x调用构造器 ; 18 : } xor eax, eax mov esp, ebp pop ebp ret 0 _main ENDP
从汇编码可以看到，由于类X具有虚函数，main函数在栈上为对象x预留了8byte的空间，用来存放vptr指针和成员变量i。
下面是x的构造函数的汇编码:
??0X@@QAE@H@Z PROC ; X::X, COMDAT ; _this$ = ecx ; 5 : X(int ii) { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈ecx的目的是为了给this指针(x对象首地址)预留4byte的空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将this指针存储到刚才预留的空间里 ecx里面存放了x的首地址 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将x的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将??_7X@@6B@的偏移地址(即vtable的首地址)放到x对象的首地址指向的内存储 这里就是初始化vptr指针 ; 6 : i = ii; mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将x首地址给ecx mov edx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器edx mov DWORD PTR [ecx+4], edx;将寄存器eax的值写入偏移x首地址4byte处的内存，即给x的成员变量i赋值 ; 7 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将x对象首地址给寄存器eax，作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 4 ??0X@@QAE@H@Z ENDP
从代码中可以看出来，编译器确实暗中插入了代码，来用vtable的首地址初始化vptr指针，并且vptr指针位于对象首地址处。
如果类有继承关系，构造函数又如何初始化vptr指针呢？
下面是c++源码:
class X { private: int i; public: virtual void f() {} }; class Y : public X {//Y继承自X private: int j; }; int main() { Y y; }
下面是main函数中的汇编码:
_main PROC ; 16 : int main() { push ebp mov ebp, esp sub esp, 12 ; 为对象y预留12 byte的空间 vptr指针4byte 父类成员变量4byte 子类成员变量4byte ; 17 : Y y; lea ecx, DWORD PTR _y$[ebp];获取对象y的首地址(即this指针),作为隐含参数传递给构造函数 call ??0Y@@QAE@XZ;调用y的构造函数 虽然y没有显示定义构造函数，但由于其含有虚成员函数，编译器提供默认构造函数 ; 18 : } xor eax, eax mov esp, ebp pop ebp ret 0 _main ENDP
下面是子类构造函数汇编码:
??0Y@@QAE@XZ PROC ; Y::Y, COMDAT ; _this$ = ecx push ebp mov ebp, esp push ecx;//压栈ecx的目的是存放this指针 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将this指针(即对象首地址)放到刚才预留空间 ecx里面存放对象首地址 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象首地址给ecx 作为隐含参数传递给父类构造函数 call ??0X@@QAE@XZ;调用父类构造函数 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将y的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7Y@@6B@;将y的vtable(??_7Y@@6B@)首地址赋给y对象首地址所指内存 即初始化子类vptr指针 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将y首地址给eax，作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0Y@@QAE@XZ ENDP
下面是父类构造函数汇编码:
??0X@@QAE@XZ PROC ; X::X, COMDAT ; _this$ = ecx push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈的目的是为了存放this指针(父对象对象首地址)预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将父对象对象首地址(ecx中保存)放入刚才预留空间 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将vtable(??_7X@@6B@ 和子类不同)首地址赋给父对象首地址处的内存 即初始化父对象的vptr指针 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象的首地址传给eax，作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0X@@QAE@XZ ENDP
从上面子类和父类的构造函数汇编码可以看出来，子对象包含父对象，在构造子对象的时候先构造父对象(子对象构造函数先调用父对象构造函数)。而且父对象的首地址和子对象的首地址一样(通过汇编码中ecx传递的值可以看出来)，因此父对象和子对象的vptr指针位于同一处。所以，在构造对象的构成中，vptr指针先被初始化指向父对象的vtable首地址(在父对象构造函数中)，最后又被初始化为指向子对象的vtable首地址(在子对象的构造函数中)。因此，在涉及继承的时候，vptr指针的值由最后调用的构造函数决定。
在构造函数调用虚函数机制失效，也就是说，在构造函数中调用虚函数总是本地版本(析构函数中也是一样)
c++源码如下:
class X { private: int i; public: virtual void f(int ii) { i = ii; } X() { f(1); } }; class Y : public X {//Y继承自X private: int j; public: virtual void f(int ii) { j = ii; } Y() { f(2); } }; int main() { Y y; }
下面主要来看父类X和子类Y中的构造函数的汇编码:
子类Y的构造函数汇编码:
??0Y@@QAE@XZ PROC ; Y::Y, COMDAT ; _this$ = ecx ; 20 : Y() { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈的目的是为存放this指针(在ecx寄存器里面存放了子对象首地址)预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将子对象首地址存入刚才预留空间 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将子类首地址作为隐含参数传给父对象构造器(子对象首地址和父对象首地址一样) call ??0X@@QAE@XZ ; 调用父类构造器 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象首地址传给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7Y@@6B@;将子对象的vtable首地址存到子对象首地址所指向的内存，即初始化子对象的vptr指针 ; 21 : f(2); push 2;将2压栈，作为参数调用函数f，这里，子对象调用的是自己的函数f mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象首地址传给ecx，作为隐含参数传递给成员函数f call ?f@Y@@UAEXH@Z ; 调用子对象中的f函数 ; 22 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象首地址给寄存器eax，作为返回值。构造器总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0Y@@QAE@XZ ENDP ; Y::Y
父类X构造函数的汇编码:
??0X@@QAE@XZ PROC ; X::X, COMDAT ; _this$ = ecx ; 8 : X() { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈的目的是存放父对象首地址预留空间 父对象首地址和子对象首地址一样 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx里面存放父对象首地址，传给刚才预留的空间 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象首地址传给eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将父对象的vtable首地址写入父对象首地址所指向的内存 即初始化父对象的vptr指针 ; 9 : f(1); push 1;将1压栈，作为参数调用函数f 这里调用时父对象的版本 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象首地址作为隐含参数传给f call ?f@X@@UAEXH@Z ; 调用函数f ; 10 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象首地址传给eax作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0X@@QAE@XZ ENDP
从汇编码中可以看到，构造函数中确实不存在虚机制，都只调用本地版本的函数
析构函数
析构函数在执行的时候，会先将vptr指针初始化为当前类的虚表vtable首地址，但是如果析构函数时编译器提供非无用的默认析构函数，则不会有vptr指针的初始化操作:
c++源码:
class X { private: int i; public: virtual void set(int ii) { i = ii; } ~X() {} }; class Y : public X { private: int i; }; int main() { Y y; }
类Y析构函数汇编码:
??1Y@@QAE@XZ PROC ; Y::~Y, COMDAT ; _this$ = ecx push ebp mov ebp, esp push ecx;为传进来的y对象首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx中保存y对象首地址，存到刚才空间中 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将y对象首地址(y对象包含父对象，他们的首地址一样)传给ecx，作为隐含参数传地址类X的析构函数 call ??1X@@QAE@XZ ; 调用类X的析构函数 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??1Y@@QAE@XZ ENDP
从汇编码可以看到，编译器为y对象提供了非无用的默认析构函数，用来调用父类的析构函数，但是在y对象的析构函数里面，并没有初始化y对象vptr指针指向类Y的虚表vtable的操作。
下面是类X的析构函数汇编码:
??1X@@QAE@XZ PROC ; X::~X, COMDAT ; _this$ = ecx ; 9 : ~X() {} push ebp mov ebp, esp push ecx;为传进来的父对象的首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;为将传进来的父对象首地址存放到刚才空间 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];父对象首地址给eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将父类vtable首地址给父对象首地址处的内存 即初始化父对象中的vptr指针 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??1X@@QAE@XZ ENDP
父类的析构函数有初始化vptr的操作，此时的vptr所指向的虚表已经是类X所对应的虚表，而不是子类Y对应的虚表。
抽象基类
c++源码如下:
class X { private: int i; public: virtual void f() = 0;//纯虚函数 X() { i = 1; } }; class Y : public X {//Y继承自X private: int j; public: virtual void f() { j = 2; } }; int main() { Y y; }
只看父类X的构造函数和子类Y的构造函数的汇编码:
子类Y构造函数的汇编码:
??0Y@@QAE@XZ PROC ; Y::Y, COMDAT ; _this$ = ecx push ebp mov ebp, esp push ecx;为保存子对象首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将ecx(里面存放子对象首地址)的值放到刚才的空间 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象首地址传给ecx，作为隐含参数(this指针)调用父对象的构造函数 call ??0X@@QAE@XZ ; 调用父对象的构造函数 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象首地址给eax t mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7Y@@6B@;将子对象的vtable首地址存到子对象首地址所指向的内存，即初始化子对象的vptr mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将子对象的首地址给eax，作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0Y@@QAE@XZ ENDP
父类X构造函数汇编码:
??0X@@QAE@XZ PROC ; X::X, COMDAT ; _this$ = ecx ; 6 : X() { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈的目的就是为存储父对象首地址(即this指针)预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;将父对象首地址存到刚才的空间 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象的首地址传给eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将父对象的vtable(由于父类为抽象类，其vtable不完全，即里面没有存放纯虚函数的地址，只为其保留了一个位置)首地址存到父对象首地址所指的内存 即初始化父对象的vptr指针 ; 7 : i = 1; mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将父对象的首地址给ecx mov DWORD PTR [ecx+4], 1;将1存到偏移父对象首地址4byte处，即给父对象的成员变量i赋值 ; 8 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];父对象的首地址给eax 作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 0 ??0X@@QAE@XZ ENDP
从汇编码可以看出，在构造子类的过程中，依然调用了父类的构造函数，尽管父类是一个抽象类。但这只是为了初始化子对象中包含父对象的部分，如果直接想从父类实例化一个对象，编译器报错，这是因为父类的vtable不完全，编译器不能安全的创建一个抽象类对象。而在构造子对象的构成当中，虽然在构造子对象中所包含的的父对象部分，vptr暂时指向了父类的vtable，但是，当子对象构造完成时，vptr最终指向了子类的vtable。子类的vtable是一个完整的，因此编译器允许。
多态的晚捆绑机制只有在用地址或者引用调用虚函数的时候才有效，如果用对象本身直接调用虚函数，则不会出现晚捆绑，而是直接调用。
c++源码:
class X { private: int i; public: virtual void f() { i = 1; } }; class Y : public X {//Y继承自X private: int j; public: virtual void f() { j = 2; } }; int main() { Y y;//栈上创建对象 Y* yp = new Y;//堆上创建对象 y.f();//用对象直接调用 yp->f();//用指针间接调用 }
class X { private: int i; public: virtual void f() { i = 1; } }; class Y : public X {//Y继承自X private: int j; public: virtual void f() { j = 2; } }; int main() { Y y;//栈上创建对象 Y* yp = new Y;//堆上创建对象 y.f();//用对象直接调用 yp->f();//用指针间接调用 }
主要来看用对象直接调用函数f和用指针调用函数f的汇编码:
用对象直接调用函数f的汇编码:
; 25 : y.f(); lea ecx, DWORD PTR _y$[ebp];将栈上创建的对象y的首地址给ecx，作为隐含参数传递给f call ?f@Y@@UAEXXZ ; 用绝对地址调用f
用指针间接调用函数f的汇编码:
; 26 : yp->f(); mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp指针指向的堆对象的首地址给ecx mov edx, DWORD PTR [ecx];将堆上创建的对象首地址所指向的内容给edx 即将vptr指针指向的vtable首地址给edx mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp指针指向的堆对象的首地址给ecx 作为隐含参数传递给要调用的函数f mov eax, DWORD PTR [edx];edx存的是vtable首地址，这里取vtable首地址的内容给eax 即函数f的地址给eax call eax;调用eax
从汇编码中可以看出，用对象直接调用的时候根本没有访问虚表vtable，只有用指针调用的时候才会访问vtable，形成晚捆绑。因为用对象直接调用的时候，编译器已经知道了对象的确切类型，为了提高效率，当调用这些虚函数的时候，使用了造捆绑。
继承和vtable
当子类继承父类时，编译器为子类重新创建一个vtable，并且父类中的虚函数在父类vatelbe中的位置准确的映射到子类vtable中的同样位置，对于子类中重新定义的虚函数，将在子类vtable的新位置插入其地址。
下面是c++源码:
class X { private: int i; public: virtual void a() { i = 1; } virtual void b() { i = 2; } }; class Y : public X { private: int i; public: virtual void c() {//新定义的虚函数 i = 3; } void b() {//重写父类中的虚函数 i = 4; } }; int main() { X* xp = new X; X* yp = new Y; xp->a(); xp->b(); yp->a(); yp->b(); //yp->c();编译器报错 }
可以看到，用yp指针调用子类中的虚函数c，编译器报错。这是因为尽管yp指针所指向的时机类型是子类Y，但是由于向上转型为基类X类型，因此，编译器在编译的时候只针对基类，而基类只有虚函数a，b，所以不允许调用子类中的虚函数c。
下面只给出调用虚函数时的汇编代码:
; 28 : xp->a(); mov edx, DWORD PTR _xp$[ebp];将xp所指向的堆对象首地址给edx mov eax, DWORD PTR [edx];将堆对象首地址里面的内容给eax，即将vptr指向的vtable首地址给eax mov ecx, DWORD PTR _xp$[ebp];将xp所指向的堆对象首地址给ecx，作为隐含参数传递给即将调用的虚成员函数 mov edx, DWORD PTR [eax];将vtable首地址里面的内容给edx，即将虚函数a的地址给edx(这里，虚函数a的地址位于父类X的vtable首地址处) call edx;调用虚成员函数a ; 29 : xp->b(); mov eax, DWORD PTR _xp$[ebp];将xp所指堆对象的首地址给eax mov edx, DWORD PTR [eax];将堆对象首地址的内容给edx，即将vptr指向的vtable首地址给edx mov ecx, DWORD PTR _xp$[ebp];将xp所指堆对象的首地址给ecx mov eax, DWORD PTR [edx+4];将偏移vtable首地址4byte处内存内容给eax，即将虚函数b的地址给eax(这里，虚函数b的地址位于偏移父类X的vtable首地址4byte处) call eax;调用虚成员函数b ; 30 : yp->a(); mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象的首地址给ecx mov edx, DWORD PTR [ecx];将堆对象首地址的内容给edx，即将子类vptr指向的vtable首地址给edx mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象首地址给ecx，作为隐含参数传递给虚成员函数a mov eax, DWORD PTR [edx];将子类vtable首地址处的内容给eax，即将虚函数a的地址给eax(这里，虚函数a的地址同样位于子类Y的vtable首地址处) call eax;调用虚成员函数a ; 31 : yp->b(); mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象的首地址给ecx mov edx, DWORD PTR [ecx];将堆对象首地址的内容给edx，即将子类vptr指向的vtable首地址给edx mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象首地址给ecx，作为隐含参数传递给虚成员函数b mov eax, DWORD PTR [edx+4];将偏移子类vtable首地址4byte处内存的内容给eax，即将虚函数b的地址给eax(这里，虚函数b的地址同样位于偏移子类Y的vtable首地址4byte处) call eax;调用虚成员函数b ; 32 : //yp->c();
从汇编码可以看出，a，b虚函数在子类vtable和父类table中的位置是一样的(从它们相对于自己所在vtable的偏移量可以看出)。这就保证了不论对象实际的类型是什么，编译器总能使用同样的偏移量来调用虚函数。假如不这么做，也就是说虚函数a，b在子类Y的vtable中的位置和在父类X的vtable中的位置不一样，由于向上转型，编译器只针对父类工作，也就是对虚函数a，b的调用只会根据父类X的vtable来确定偏移量，那么在实际运行的时候就会出错，实际的子对象根本调用不到正确的函数，多态失效。
在上面的例子中，如果将yp转为实际的类型调用c，我们会看到编译器形成的偏移量为8byte，汇编代码如下:
; 32 : yp->c(); mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象的首地址给ecx mov edx, DWORD PTR [ecx];将堆对象首地址的内容给edx，即将子类vptr指向的vtable首地址给edx mov ecx, DWORD PTR _yp$[ebp];将yp所指向的堆对象首地址给ecx，作为隐含参数传递给虚成员函数c mov eax, DWORD PTR [edx+8];将偏移子类vtable首地址8byte处内存的内容给eax，即将虚函数c的地址给eax(这里，虚函数b的地址同样位于偏移子类Y的vtable首地址8byte处) call eax;调用虚成员函数c
对象切片
如果进行向上转型的时候不是用传地址或者引用，而是用传值，那么就会发生对象切片，即派生类对象中原有的部分被切除，只保留了基类的部分。
下面是c++源码:
class X { private: int i; public: virtual void a() { i = 1; } virtual void b() { i = 2; } }; class Y : public X { private: int i; public: virtual void c() {//新定义的虚函数 i = 3; } void b() {//重写父类中的虚函数 i = 4; } }; void f(X x) {//用传值的形式进行向上转换 x.b(); } int main() { Y y; f(y); }
下面是main函数的汇编码:
; 28 : int main() { push ebp mov ebp, esp sub esp, 16 ; 为对象y预留16byte的空间 ; 29 : Y y; lea ecx, DWORD PTR _y$[ebp];将y的首地址给ecx，转为隐含参数传递给y的构造函数 call ??0Y@@QAE@XZ;调用y的构造函数 ; 30 : f(y); sub esp, 8;//由于对象传值，要进行拷贝，产生临时对象，这里为临时对象预留8byte的空间(类X的大小) mov ecx, esp;//将临时对象的首地址给ecx，作为隐含参数传递给拷贝函数 lea eax, DWORD PTR _y$[ebp];将对象y的首地址给eax，作为参数给拷贝函数 push eax;压栈，传递参数 call ??0X@@QAE@ABV0@@Z;调用类X的拷贝函数 call ?f@@YAXVX@@@Z ; 调用函数f add esp, 8;释放刚才的临时对象占用的8byte空间 ; 31 : } xor eax, eax mov esp, ebp pop ebp ret 0
从汇编吗中可以看出，临时对象的大小为父类X的大小，调用的拷贝函数也是父类X的拷贝函数。
下面是父类X的拷贝函数汇编码:
??0X@@QAE@ABV0@@Z PROC ; X::X, COMDAT ; _this$ = ecx push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈，为存对象首地址预留4byte空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx中保存临时对象首地址，放到刚才预留的空间 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将临时对象首地址给ecx mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_7X@@6B@;将类X的vtable首地址存到临时对象首地址所指向的内存 即初始化临时对象的vptr指针 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将临时对象的首地址给ecx mov edx, DWORD PTR ___that$[ebp];将y的首地址给edx mov eax, DWORD PTR [edx+4];将偏移y首地址4byte处内存内容给edx，即将y包含的父对象中的成员变量i的值给edx mov DWORD PTR [ecx+4], eax;将eax的值给偏移临时对象首地址4byte处内存，即将eax的值给临时对象的成员变量i mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将临时对象的首地址给eax，作为返回值。构造函数总是返回对象首地址 mov esp, ebp pop ebp ret 4
从拷贝函数可以看出，临时对象只拷贝了y的所包含的的父对象部分(y被切片了),并且临时对象的vptr指针也初始化为类X的vtable首地址。
下面是函数f的汇编码:
; 24 : void f(X x) { push ebp mov ebp, esp ; 25 : x.b(); lea ecx, DWORD PTR _x$[ebp];将参数x的首地址给ecx，作为隐含参数传递给成员函数b call ?b@X@@UAEXXZ ; 调用x中的成员函数b 这里是用对象直接调用，因此没有访问vtable
这里调用的是类X里面的成员函数，并且没有访问虚表vtable
下面是类X里面的虚成员函数b的汇编码:
?b@X@@UAEXXZ PROC ; X::b, COMDAT ; _this$ = ecx ; 8 : virtual void b() { push ebp mov ebp, esp push ecx;为保存对象首地址预留4byte空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx中保存有对象x的首地址，放到刚才预留的空间 ; 9 : i = 2; mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将x首地址给eax mov DWORD PTR [eax+4], 2;将2写给偏移x首地址4byte处，即将2赋给x的成员变量i ; 10 : } mov esp, ebp pop ebp ret 0 ?b@X@@UAEXXZ ENDP
