如何获取虚函数表及内存分析

前言

虚函数表对于学习C++的没个人来说都不陌生，面试中也经常问到，但是虚函数表具体是什么东西呢？下面我们就一起来看下

代码

#include <stdio.h>

typedef void (*Func)(void);

class Base
{
public:
    Base() {}
    virtual ~Base() { printf("%s()\n", __func__); }

    virtual void a() { printf("%s()\n", __func__); }
    virtual void b() { printf("%s()\n", __func__); }
    virtual void c() { printf("%s()\n", __func__); }

    int number;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    Base *base = new Base();

    long *vptr = reinterpret_cast<long *>(base); // 虚函数表指针位置

    long *virtual_table_address = reinterpret_cast<long *>(*vptr);

    Func base_destructure_func_ptr_1 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 0));
    
    Func base_destructure_func_ptr_2 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 1));

    Func base_a_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 2));

    Func base_b_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 3));

    Func base_c_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 4));

    Func unknow_func_ptr_1 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 5));

    char *typeinfo_name_for_Base = reinterpret_cast<char *>(*(virtual_table_address + 6));

    return 0;
}

虚函数表介绍

以下是按照上述代码进行调试

使用GDB查看一下虚函数表第一个函数地址之后的内容

从图中可以看到Base的析构函数在虚函数表中分成了两个函数
第一个虚析构函数是complete object destructor会调用该类的非静态数据成员和非虚拟直接基类运行析构函数
第二个虚析构函数是deleting destructor，代码中可直接调用，此函数会调用complete object destructor和operator delete

也可以在编译时加上-fdump-class-hierarchy来查看Base的虚函数表

VS Code调试

以下是使用vscode的调试功能进行查看

改变虚析构函数的位置

#include <stdio.h>

typedef void (*Func)(void);

class Base
{
public:
    Base() {}

    virtual void a() { printf("%s()\n", __func__); }
    virtual void b() { printf("%s()\n", __func__); }
    virtual void c() { printf("%s()\n", __func__); }

    virtual ~Base() { printf("%s()\n", __func__); }

    int number;
};

int main(int argc, char **argv)
{
    Base *base = new Base();

    long *vptr = reinterpret_cast<long *>(base); // 虚函数表指针位置
    printf("虚函数表指针的地址: %p\n", vptr);

    long *virtual_table_address = reinterpret_cast<long *>(*vptr);
    printf("虚函数表的地址: %p\n", virtual_table_address);

    Func base_a_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 0));
    printf("虚函数表的第一个函数: %p\n", base_a_func_ptr);

    Func base_b_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 1));
    printf("虚函数表的第二个函数: %p\n", base_b_func_ptr);

    Func base_c_func_ptr = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 2));
    printf("虚函数表的第三个函数: %p\n", base_c_func_ptr);

    Func base_destructure_func_ptr_1 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 3));
    printf("虚函数表的第四个函数: %p\n", base_destructure_func_ptr_1);
    
    Func base_destructure_func_ptr_2 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 4));
    printf("虚函数表的第五个函数: %p\n", base_destructure_func_ptr_2);
    // base_destructure_func_ptr_2() 此处将会调用Base的析构函数
    // 同时会调用base_destructure_func_ptr_1函数
    // 如果Base类中存在成员变量时，也会调用operator delete(void*, unsigned long)，不存在则不调用

    Func unknow_func_ptr_1 = reinterpret_cast<Func>(*(virtual_table_address + 5));
    printf("虚函数表的第六个函数: %p\n", unknow_func_ptr_1);

    char *typeinfo_name_for_Base = reinterpret_cast<char *>(*(virtual_table_address + 6));
    printf("typeid(Base).name() = %s\n", typeinfo_name_for_Base);

    return 0;
}

// 以下是base_destructure_func_ptr_2的汇编代码
Base::~Base() [deleting destructor]:
        pushq   %rbp
        movq    %rsp, %rbp
        subq    $16, %rsp
        movq    %rdi, -8(%rbp)
        movq    -8(%rbp), %rax
        movq    %rax, %rdi
        call    Base::~Base() [complete object destructor]
        movq    -8(%rbp), %rax
        movl    $16, %esi
        movq    %rax, %rdi
        call    operator delete(void*, unsigned long)
        leave
        ret

从调试结果来看，Base的虚析构放到了函数c的后面，由此可得出结论虚函数表是按照虚函数的声明顺序排列的

虚函数表的内存布局

使用Compiler Explorer查看上述代码的汇编