从汇编看c++的虚拟继承以及其内存布局(一)
先看第一种最简单的情形，所有类中没有任何虚函数的菱形继承。
下面是c++源码:
class Top {//虚基类 public: int i; Top(int ii) { i = ii; } }; class Left : public virtual Top { public: int j; Left(int jj, int ii) : Top(ii) { j = jj; } }; class Right : public virtual Top { public: int k; Right(int kk, int ii) : Top(ii) { k = kk; } }; class Bottom : public Left, public Right { public: int l; Bottom(int ll, int jj, int kk, int ii) : Top(ii), Left(jj, ii), Right(kk, ii) { l = ll; } }; int main() { Bottom b(1, 2, 3, 4); Bottom* bp = &b; //访问自身成员变量 b.l = 1; bp->l = 2; //访问父类Left的成员变量 Left* lp = bp; b.j = 1; bp->j = 2; lp->j = 3; //访问父类Right的成员变量 Right* rp = bp; b.k = 1; bp->k = 2; rp->k = 3; //访问虚基类Top的成员变量 Top* tp = bp; b.i = 1; bp->i = 2; tp->i = 3; };
让我们来看看，汇编代码里面是怎样的情形，先看main函数里面的汇编码:
; 33 : int main() { push ebp mov ebp, esp sub esp, 48 ; 为对象程序所需变量预留空间，其中对象b只栈24byte ; 34 : Bottom b(1, 2, 3, 4); push 1;压入标志1，作为判断是否调用虚基类构造函数的依据 1表示调用，0表示不调用 push 4;压栈4，为对象b的构造函数传递参数 push 3;压栈3，为对象b的构造函数传递参数 push 2;压栈2，为对象b的构造函数传递参数 push 1;压栈1，为对象b的构造函数传递参数 lea ecx, DWORD PTR _b$[ebp];获取对象b的首地址，传给寄存器ecx，作为隐含参数传递给对象b的构造函数 call ??0Bottom@@QAE@HHHH@Z ; 调用对象b的构造函数 ; 35 : Bottom* bp = &b; lea eax, DWORD PTR _b$[ebp];将对象b的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR _bp$[ebp], eax;将对象b的首地址给指针变量bp ; 36 : ; 37 : b.l = 1; mov DWORD PTR _b$[ebp+16], 1;将1写入偏移对象首地址16字节处内存，即为对象b的成员变量l赋值1 ; 38 : bp->l = 2; mov ecx, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器ecx mov DWORD PTR [ecx+16], 2;将2写入偏移对象首地址16字节处内存，即为对象b的成员变量l赋值2 ;可以看到，无论是用对象本身，还是对象指针访问对象b的成员变量 ;其成员变量的偏移量都在编译期固定了，为16字节 ;且两种方式访问没有差别 ; 39 : ; 40 : Left* lp = bp; mov edx, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器edx mov DWORD PTR _lp$[ebp], edx;将对象b的首地址给对象指针lp,此时lp指向父对象Left的首地址 ;从下面的内存布局图可以看到，父对象Left的首地址和Bottom一样 ; 41 : b.j = 1; mov DWORD PTR _b$[ebp+4], 1;将1赋给偏移对象b首地址4byte处内存，即为 ;继承来的成员变量j赋值1 ; 42 : bp->j = 2; mov eax, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax+4], 2;将2写入偏移对象b首地址4byte处内存，即为继承来的成员变量j赋值2 ;可以看到，无论使用b对象本身，还是指针访问继承来的成员变量j, ;其成员变量的偏移量都是编译器固定了，都为4byte ;且两种方式访问无差别 ; 43 : lp->j = 3; mov ecx, DWORD PTR _lp$[ebp];将父类Left对象的首地址给寄存器ecx mov DWORD PTR [ecx+4], 3;将3赋给偏移Left对象首地址4byte处内存，即为父对象Left的成员变量j赋值3 ;可以看到，用这种方式访问父对象Left的成员变量，其偏移量也是编译器固定 ;为4byte ; 44 : ; 45 : Right* rp = bp; cmp DWORD PTR _bp$[ebp], 0;比较指针的值是否为0，也就是判断bp是否为空指针 je SHORT $LN3@main;如果bp为空指针，则跳转到标号$LN3@main处执行，否则顺序执行，这里是顺序执行 mov edx, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器edx add edx, 8;寄存器edx里面的内容加8，现在edx里面保存的地址偏移了对象b的首地址8byte，即指向了对象Right的首地址 mov DWORD PTR tv90[ebp], edx;将寄存器edx内容存入临时变量tv90 jmp SHORT $LN4@main;跳转到标号$LN4@main处执行 $LN3@main: mov DWORD PTR tv90[ebp], 0;将临时变量tv90赋值为空指针，这是在上面判断bp指针为空的情况下执行，这里不执行这一句 $LN4@main: mov eax, DWORD PTR tv90[ebp];将临时变量tv90里面的值赋给寄存器eax，eax保存了对象Right的首地址 mov DWORD PTR _rp$[ebp], eax;将寄存器eax里面的值赋给指针rp ;到这里，完成了从指针bp到指针rp的转化，这里之所以有对bp指针为空的判断 ;是因为，rp里面的地址值是由bp里面的地址值加8byte得来，如果不进行判断，一旦bp为空指针 ;即bp不指向任何对象，那么rp将指向错误的内存，这种转换就有危险，编译器必须避免这种情况 ; 46 : b.k = 1; mov DWORD PTR _b$[ebp+12], 1;将1写入偏移对象b首地址12byte处，即将1赋给继承来的成员变量k ; 47 : bp->k = 2; mov ecx, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b首地址给寄存器ecx mov DWORD PTR [ecx+12], 2;将2写入偏移对象b首地址12byte处，即将2赋给继承来的成员变量k ;可以看到，这里其成员变量的偏移量也是编译器固定，为2byte ;且两种方式访问没有差别 ; 48 : rp->k = 3; mov edx, DWORD PTR _rp$[ebp];将父对象Right首地址给寄存器edx mov DWORD PTR [edx+4], 3;将3写给偏移父对象Right首地址4byte处，即将3赋给成员变量k ; 49 : ; 50 : Top* tp = bp; cmp DWORD PTR _bp$[ebp], 0;比较bp指针的值是否为0，也就是判断bp是否为空，原因同上 jne SHORT $LN5@main;如果不为空，就跳转到标号处$LN5@main执行，否则顺序执行，这里跳转到标号处执行 mov DWORD PTR tv145[ebp], 0;如果bp为空指针，就将0赋给临时变量tv145,这里不执行这一句 jmp SHORT $LN6@main;跳转到标号处$LN6@main执行 $LN5@main: mov eax, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器eax mov ecx, DWORD PTR [eax];将对象b首地址里面的内容给寄存器ecx，对象b首地址处的值是vtable的地址，关于vtable将在下面解释 mov edx, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器edx add edx, DWORD PTR [ecx+4];ecx里面存有vtable的首地址，这里取偏移vtable首地址4byte处内存内容(即对象b,或者父对象Left首地址到虚基类首地址的偏移量), 然后加上对象b的首地址 ;得到虚基类对象Top的首地址 mov DWORD PTR tv145[ebp], edx;寄存器edx里面保存虚基类对象Top的首地址，保存到临时变量tv145里面 $LN6@main: mov eax, DWORD PTR tv145[ebp];将临时变量tv145里面的值给寄存器eax mov DWORD PTR _tp$[ebp], eax;寄存器eax里面含有虚基类对象Top首地址，给指针tp ;这里完成了从指针bp到tp的转换 ; 51 : b.i = 1; mov ecx, DWORD PTR _b$[ebp];将对象b的首地址的内容给寄存器ecx，ecx里面是vtable的首地址 mov edx, DWORD PTR [ecx+4];取偏移vtable首地址4byte处的内容，即对象b首地址到虚基类Top首地址偏移量给寄存器edx mov DWORD PTR _b$[ebp+edx], 1;将对象首地址加上edx里面的偏移量，得到虚基类Top首地址，将1写入这给地址所指内存，ji ;为继承自虚基类的成员变量i赋值 ; 52 : bp->i = 2; mov eax, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b的首地址给寄存器eax mov ecx, DWORD PTR [eax];将对象b首地址处内容给寄存器ecx，即将vtable的首地址给寄存器ecx mov edx, DWORD PTR [ecx+4];将偏移vtable首地址4byte处内存内容给寄存器edx，即将对象b首地址到虚基类Top首地址偏移量给edx mov eax, DWORD PTR _bp$[ebp];将对象b首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax+edx], 2;将对象b首地址加上刚才取出的偏移量，得到虚基类Top的首地址，将2写入改地址所处内存处， ;即为继承自虚基类的成员变量i赋值2 ; 53 : tp->i = 3; mov ecx, DWORD PTR _tp$[ebp];将虚基类对象Top的首地址给寄存器ecx mov DWORD PTR [ecx], 3;将3赋给虚基类对象Top首地址处内才能，即为成员变量i赋值 ; 54 : ; 55 : }; xor eax, eax mov esp, ebp pop ebp ret 0 _main ENDP
接下来是Bottom构造函数的汇编码:
??0Bottom@@QAE@HHHH@Z PROC ; Bottom::Bottom, COMDAT ; _this$ = ecx ; 28 : Bottom(int ll, int jj, int kk, int ii) : Top(ii), Left(jj, ii), Right(kk, ii) { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈ecx的目的是为保存对象b的首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx里面保存这对象b的首地址，存放到刚才空间 cmp DWORD PTR _$initVBases$[ebp], 0;_$initVBases所代表的内存里面的内容存放的是调用Bottom构造器时压入的标志，其值为1 ;这里与0进行比较 je SHORT $LN1@Bottom;如果上面比较结果相等，就跳到标号处$LN1@Bottom执行，否则顺序执行，这里是顺序执行 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_8Bottom@@7BLeft@@@;将Bottom-Left的vtable首地址写入对象b首地址处内存 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址给寄存器ecx mov DWORD PTR [ecx+8], OFFSET ??_8Bottom@@7BRight@@@;将Bottom-Right的vtable首地址写入偏移对象b首地址8byte处 ;即写入对象Right的首地址处内存 mov edx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器edx push edx;压栈寄存器edx，作为参数传递给虚基类的构造函数Top mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址给寄存器ecx add ecx, 20 ; 将对象b的首地址加上20，得到虚基类Top的首地址，存放到寄存器ecx，作为隐含参数传递给虚基类Top的构造函数 call ??0Top@@QAE@H@Z ; 调用虚基类Top的构造函数 $LN1@Bottom:; push 0;标志0，说明已经调用过虚基类Top的构造函数，在调用Right和Left的构造函数时，就不会再调用了。 mov eax, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器eax push eax;压栈eax，给Left的构造函数传递参数 mov ecx, DWORD PTR _jj$[ebp];将参数jj的值给寄存器ecx push ecx;压栈ecx，给Left的构造函数传递参数 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址(也就是对象Left的首地址)给寄存器ecx，作为隐含参数传递给Left构造函数 call ??0Left@@QAE@HH@Z ; 调用Left构造函数 push 0;压栈标志0，说明已经调用过虚基类Top的构造函数，在调用Right和Left的构造函数时，就不会再调用了 mov edx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器edx push edx;压栈edx，给Right构造函数传递参数 mov eax, DWORD PTR _kk$[ebp];将参数kk的值给寄存器eax push eax;压栈eax，给Right的构造函数传递参数 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址给ecx add ecx, 8;将对象b的首地址加上8，得到对象Right的首地址，存入寄存器ecx，作为隐含参数传递给Right构造函数 call ??0Right@@QAE@HH@Z ; 调用Right构造函数 ; 29 : l = ll; mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象b的首地址给寄存器ecx mov edx, DWORD PTR _ll$[ebp];将参数ll的值给寄存器edx mov DWORD PTR [ecx+16], edx;将寄存器edx的内容写入偏移对象b首地址16byte处，即给对象b的成员变量l赋值 ; 30 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp] mov esp, ebp pop ebp ret 20 ; 00000014H ??0Bottom@@QAE@HHHH@Z ENDP
下面是Left构造函数的汇编码：
??0Left@@QAE@HH@Z PROC ; Left::Left, COMDAT ; _this$ = ecx ; 12 : Left(int jj, int ii) : Top(ii) { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈ecx寄存器，是为保存对象Left的首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;寄存器ecx里面含有对象Left的首地址，存入刚才预留空间 cmp DWORD PTR _$initVBases$[ebp], 0;_$initVBases所代表的内存，里面含有调用Left构造函数传入的标志，其值为0 ;这里是将它的值和0作比较 je SHORT $LN1@Left;如果上面比较相等，则跳转到标号$LN1@Left处执行，否则顺序执行，这里跳转到标号执行，因此不会调用 ;虚基类Top的构造函数，避免重复调用 ;标号之前的语句在构造对象b的时候都不会执行 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将Left对象的首地址给eax寄存器 mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_8Left@@7B@;将??_8Left@@7B@所带表的内存地址(即Left的vtable首地址)写入对象Left的首地址处内存 ;由于这一句在构造对象b时不执行，设置无效 mov ecx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器ecx push ecx;将ecx压栈，给虚基类Top构造函数传递参数，但是这一句在构造对象b时不执行，因此传参无效 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象Left的首地址给ecx寄存器 add ecx, 8;将Left的首地址加上8，得到Top对象的首地址，作为隐含参数传递给Top的构造函数 call ??0Top@@QAE@H@Z ; 调用Top的构造函数，但是在构造对象b时，这句不执行，因此调用无效 $LN1@Left: ; 13 : j = jj; mov edx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象Left的首地址给寄存器edx mov eax, DWORD PTR _jj$[ebp];将参数jj给寄存器eax mov DWORD PTR [edx+4], eax;将eax寄存器里面的内容写入偏移对象Left首地址4byte处内存，即给成员变量j赋值jj ; 14 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp] mov esp, ebp pop ebp ret 12 ; 0000000cH ??0Left@@QAE@HH@Z ENDP
下面是Right构造函数的汇编码:
??0Right@@QAE@HH@Z PROC ; Right::Right, COMDAT ; _this$ = ecx ; 20 : Right(int kk, int ii) : Top(ii) { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈ecx的目的是为了保存对象Right的首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx寄存器保存有对象Right的首地址，存放到刚才预留空间 cmp DWORD PTR _$initVBases$[ebp], 0;_$initVBases所代表的内存存放调用Right构造函数时传入的标志，其值为0，说明 ;这里将其值与0比较 je SHORT $LN1@Right;如果比较相等，就跳转到标号处执行$LN1@Right，不会调用虚基类的构造函数，否则，顺序执行，这里跳转到标号执行 ;所有标号之前的语句在构造对象b时都不会执行 mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将对象Right的首地址给寄存器eax mov DWORD PTR [eax], OFFSET ??_8Right@@7B@;将??_8Right@@7B@的所带表的内存地址(即Right的vtable首地址)写入到对象Right的首地址处内存 mov ecx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器ecx push ecx;压栈ecx，为调用Top构造函数传递参数 mov ecx, DWORD PTR _this$[ebp];将对象Right首地址给寄存器ecx add ecx, 8;将对象Right的首地址加8，得到对象Top首地址，作为隐含参数传递给Top的构造函数 call ??0Top@@QAE@H@Z ; 调用Top构造函数 $LN1@Right: ; 21 : k = kk; mov edx, DWORD PTR _this$[ebp];将Right首地址给寄存器edx mov eax, DWORD PTR _kk$[ebp];将参数kk的值给寄存器eax mov DWORD PTR [edx+4], eax;将eax里面的值写入偏移对象Right首地址4byte处，即为成员变量k赋值kk ; 22 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp] mov esp, ebp pop ebp ret 12 ; 0000000cH ??0Right@@QAE@HH@Z ENDP
下面是Top函数的汇编码:
??0Top@@QAE@H@Z PROC ; Top::Top, COMDAT ; _this$ = ecx ; 4 : Top(int ii) { push ebp mov ebp, esp push ecx;压栈的目的是为保留对象Top的首地址预留空间 mov DWORD PTR _this$[ebp], ecx;ecx寄存器里面含有对象Top的首地址，存到刚才预留的空间 ; 5 : i = ii; mov eax, DWORD PTR _this$[ebp];将对象Top的首地址给寄存器eax mov ecx, DWORD PTR _ii$[ebp];将参数ii的值给寄存器ecx mov DWORD PTR [eax], ecx;将ecx的值写入对象Top首地址处，即给成员变量i赋值ii ; 6 : } mov eax, DWORD PTR _this$[ebp] mov esp, ebp pop ebp ret 4 ??0Top@@QAE@H@Z ENDP
下面是类之间的继承关系图:
图1 菱形继承，所有类不含任何虚函数
下面是每个类的内存布局
Left(12byte)
Right(12byte)
Bottom(24byte)
上面代码中，Left和Right类对象首地址处都含有一个vbtable(误写为了vtable)指针，指向一个vbtable，vbtable里面只有两项:第一项是vbtable指针所属类的虚表指针vptr(没有就从对象首地址开始算)相对于vbtale指针的偏移量;第二项是其父类虚表指针vptr(没有的话就是对象首地址)相对于vbtable的偏移量。
从Bottom Left Right的构造函数可以看出来，在每次调用相应的构造函数之前，都会有编译器传入一个标志，以此来防止虚基类构造函数被多次调用。这就是为什么虚基类只有一份实例的原因。虚基类的构造函数总是由当前正构造的对象的构造函数调用，比如这里构造Bottom对象时，就由Bottom构造函数调用，Left和Right构造函数不会调用。
