深入理解C++对象模型(开始)--由virtual继承说起

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：综合

0 引言

最近在工作之余，重新拾起了深度探索C++对象模型 这本书，想要进一步复习理解 C++对象模型相关的原理。

以往看这本书，仅仅是浮于表面，并没有动手去实现和验证书中所说的内容。因此这次，便想既然再度学习，那么就深入去看一看目前流行的编译器对C++对象模型 是如何实现的。故有了本专题。

目前使用较广泛的编译器有gcc，clang， msvc，但作为C++后台开发相信使用gcc，clang较多，而我也是使用两者较多，因此 本专题中以gcc编译器为主，主要深入研究其对C++对象模型的实现。

如果你感觉深度探索C++对象模型 让你深化了内力，想要进一步探索现代编译器对其的实现，进一步加深相应的理解，那希望本专题会对你有所帮助。

学习本专题，需要你先学习深入理解计算机系统（原书第3版） 主要熟悉 ATT汇编，基本的函数调用规则等，

同时也需要你学习了深度探索C++对象模型 这本书，毕竟，本专题以此书为主。

此外，你需要熟悉GDB, 特别是如下几个命令, 详细的讲解 可参考后续链接部分

set print pretty on
set print vtbl on
set print object on

也希望你能经常使用如下两个在线工具：

https://cppinsights.io/

godblot

本专题所使用的机器环境如下

uname -a
Linux qls-VirtualBox 5.11.0-38-generic #42~20.04.1-Ubuntu SMP Tue Sep 28 20:41:07 UTC 2021 x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

gcc编译器版本为

gcc version 9.3.0 (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04)

最后，本人也只是因为兴趣而想进一步研究，中间可能会有些理解不对的地方，欢迎大家随时指正；同时由于工作比较忙，因此我可能会断断续续更新该专栏。

1 故事的开端

关于C++对象模型，我们以深度探索C++对象模型 第三章开篇所给的例子说起，其例子如下

#include <iostream>
#include <string>
class X {};
class Y : public virtual X {};
class Z : public virtual X {};
class A : public Y, public Z {};
int main() {
    std::cout << "sizeof(X): " << sizeof(X) << "\n";
    std::cout << "sizeof(Y): " << sizeof(Y) << "\n";
    std::cout << "sizeof(Z): " << sizeof(Z) << "\n";
    std::cout << "sizeof(A): " << sizeof(A) << "\n";
    return 0;
}

上述例子很简单，通过我的实验，在我的环境下上述输出的结果为

sizeof(X): 1
sizeof(Y): 8
sizeof(Z): 8
sizeof(A): 16

为什么如此呢？此原因深度探索C++对象模型 在该章开始部分已经给出说明，本文将其摘抄至下

sizeof(X) = 1: 这是为了使得同一class的不同objects在内存中有独一无二的地址，因此编译器会安插一个char在空类中。

关于sizeof(Y): 8 sizeof(Z): 8 sizeof(A): 16相关的原因，我们通过gdb来感知和确认。

2 GDB感知C++对象模型

为了使用gdb感知上述的对象模型，在示例中增加如下四条语句

X x;
    Y y;
    Z z;
    A a;

通过如下gcc命令构建

g++ -o main lambda1.cc -std=c++17 -g

并用gdb运行相应的main程序后，设置如下三项命令

(gdb) set print pretty on
(gdb) set print vtbl on
(gdb) set print object on

然后通过b main后，运行info locals 命令出现如下结果

x = {<No data fields>}
y = warning: can't find linker symbol for virtual table for `Y' value
{
  <X> = {<No data fields>}, 
  members of Y:
  _vptr.Y = 0x7ffff7d98fc8 <__exit_funcs_lock>
}
z = warning: can't find linker symbol for virtual table for `Z' value
warning:   found `A::A()' instead
{
  <X> = <invalid address>, 
  members of Z:
  _vptr.Z = 0x555555555430 <__libc_csu_init>
}
a = {
  <Y> = {
    <X> = <invalid address>, 
    members of Y:
    _vptr.Y = 0x0
--Type <RET> for more, q to quit, c to continue without paging--
  }, 
  <Z> = {
    members of Z:
    _vptr.Z = 0x5555555550e0 <_start>
  }, <No data fields>}

故通过gdb的结果可以发现：对象y编译器安插了一个_vptr.Y成员，对象z由编译器安插了一个_vptr.Z成员，对象a 由编译器安插了一个_vptr.Y , _vptr.Z成员

虽然y，z， a都有成员X但均在内存布局的开头，因此被gcc优化掉其1byte。这也符合深度探索C++对象模型 中所说

针对empty virtual base class，某些新晋编译器对其进行特殊处理。在这个策略下，一个empty virtual base class 被视为derived class object开头的一部分，也就是说他没有花费任何额外的空间，这就节省掉了1byte。

故可便输出了相应结果。

也许故事的开始到这里便可以了，但我们说过要什么到汇编层面去进一步看看现代编译器如何实现C++对象模型的，也许会发现 深度探索C++对象模型 中所画的对象模型示意图已经符不符合现代编译器实现呢？（至少GCC）

那么，带着如下疑问：上述的vptr指针 到底指向哪里呢？相应的vtbl中的内容又是什么呢？是不是深度探索C++对象模型 中的如下示意图需要纠正呢？

如下的示意图中virtual base class offsets在本文实例中到底对还是不对呢？里面的内容究竟是什么呢？

带着上述疑问，我们进入下一节，细观vtbl！

3 细观vtbl

往往表面看起来简单的事情，背地里却是异常的复杂，正如本文给出的示例一样。其背后的复杂性我们可以从汇编层面一探究竟！

针对本文示例，我们通过文章开时所介绍的工具Compiler Explorer - C++ (x86-64 gcc (trunk)) 来查看相应的汇编实现，并回答上小结末尾所提出的疑问。

通过Compiler Explorer - C++ (x86-64 gcc (trunk)) 可知，在汇编层面有如下关键符号

Y::Y() [base object constructor]\
Y::Y() [complete object constructor]\
Z::Z() [base object constructor]\
Z::Z() [complete object constructor]\
A::A() [complete object constructor]\
vtable for A\
VTT for A\
construction vtable for Y-in-A\
construction vtable for Z-in-A\
vtable for Z\
VTT for Z\
vtable for Y\
VTT for Y\
以及各种typeinfo for相关符号

关于上述这些符号的含义，我会在后续分享中一一讲明。

下面来回答我们上小结的疑问！

  • vptr到底指向哪里(vtbl中的内容是什么呢？）

在此，将两个疑问合并成一个，如果你学习过深度探索C++对象模型 那便明白vptr指向vtbl，只是具体指向vtbl的

那一个slots你可能没有正确答案而已，本文会告诉你在gcc编译器中 vptr具体指向vtbl的哪一个slots。

此处，我们仅针对类型Y的vtbl来说明相关结论，关于Y的vtbl中到底有哪些内容，通过相应的在线工具Compiler Explorer - C++ (x86-64 gcc (trunk)) 知，其内容如下

vtable for Y:
        .quad   0
        .quad   0
        .quad   typeinfo for Y

通过Y的构造函数中如下实现

movq    %rdi, -8(%rbp)
        movl    $vtable for Y+24, %edx  
        movq    -8(%rbp), %rax
        movq    %rdx, (%rax) // this->vptr = *rax

将上述两者结合，知在gcc编译器下，Y的内存模型如下

如此对象模型也回答了上述小节关于深度探索C++对象模型 中所给出的示意图

是否正确的问题。

通过分析汇编代码知，在现代gcc编译器中，vptr并不是指向typeinfo for point，而是指向其下一个位置的slot。

那么剩下最后一个问题， 深度探索C++对象模型 如下的示意图中virtual base class offsets在本文实例中到底对还是不对呢？里面的内容究竟是什么呢？

答案是很明显的，在现代gcc编译器下，

上述示意图是不对的，

  • vptr应该指向type info 所在slot的下一个slot
  • 如果存在virtual base class，在vtbl中会多两个slot，针对对象y而言这两个slot中的值为0
  • 多的这两个slot分别含义为：top_offset，vbase_offset

所谓top_offset，即vptr针对该对象起始位置的距离；所谓vbase_offset即为该对象中 virtual base类对象所离该对象起始位置的距离。

所以最终，在现代gcc编译器下，Y的对象模型结构如下所示

相应的对象Z的内存模型可类比Y，此处不在展开！

4 总结

通过本文可以初步总结出如下结论：

  • 如果一个类A虚拟继承某个类X，那么在gcc编译的场景下，类Y会生成相应的vtbl且会被编译器插入一个vptr
  • 类vtbl的虚表默认有三个slot，分别为vbase_offset, top_offset, typeinfo for A
  • 类A的vptr会指向type info for A slot的下一个slot

本文未解决的问题：

  • 什么是VTT？为什么gcc编译器会针对棱形继承生成VTT？
  • 什么是base object constructor]和 complete object constructor
  • 类A的内存模型是怎样的？
  • 类A的构造过程是怎样的？

深入理解C++对象模型的故事很长，这篇文章仅仅是一个初步的开端，后续会继续完善并回答上述未解决的问题。

参考：

Debugging with gdb - Examining Data

Using gdb with Different Languages

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以上是 深入理解C++对象模型(开始)--由virtual继承说起 的全部内容， 来源链接： utcz.com/z/267478.html

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