从汇编角度审视C++多态实现

1. 何为多态

      多态是面向对象编程语言中的一种语言特性；多态意指一引用对象随着被引用对象的不同而表现出不同的行为特征。C++中，引用对象可以是一个指针类型，或者引用类型。

 

2. 多态的作用

      多态应用于类层次结构中，并且引用对象使用基类类型；要使用多态还需要基类中有虚函数。

      那为什么要使用多态呢？ 一般，我们在使用基类类型引用时，不需要知道该引用指向类层次结构中具体哪一个类的实例，而只需要使用该类层次结构中的共有特征，也即基类所具有的特征（行为或状态），并且能够表现出所被引用对象的具体行为。这样，就可以忽略该类层次中的派生细节问题；这样的代码具有很好的可重用性和可维护性。

 

3. 示例代码如下：

#include "stdafx.h" #include <iostream> using namespace std; // /************************************************************************************* 多态、虚函数表、引用问题的测试实例 *************************************************************************************/ class Shape{ public: Shape(int id) { m_id = id; } virtual void draw(void) = 0; virtual Shape& operator=(const Shape& shape) { if(this != &shape) { this->m_id = shape.m_id; } std::cout << "Shape: operator=/n"; return *this; } virtual ~Shape(void){} void show(void) { cout << "Id: " << m_id << endl; } protected: int m_id; }; class Circle: public Shape{ public: Circle(int id):Shape(id){} virtual void draw(void); Circle& operator=(const Shape& cir) //注意：此处特意把参数类型改为基类引用 { if(this != &cir) { //this->m_id = cir.m_id; Shape::operator=(cir); } std::cout << "Circle: operator=/n"; return *this; } }; void Circle::draw(void) { std::cout << "Drawing Circle./n"; } class Triangle: public Shape{ public: Triangle(int id):Shape(id){} void draw(void) { cout << "Drawing Triangle." << endl; } Triangle& operator=(const Triangle& trig) { if(this != &trig) { //this->m_id = trig.m_id; Shape::operator=(trig); } std::cout << "Triangle: operator=/n"; return *this; } }; void draw_shape(Shape& shape) { shape.draw(); shape.show(); } int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { Circle circle = Circle(33); Triangle trig = Triangle(3222); draw_shape(circle); draw_shape(trig); std::cout << "================================================" << std::endl; Shape& shape = circle; shape.draw(); shape.show(); int* address = (int*)&shape; std::cout<< "circle's address: " << address << std::endl; //I处 std::cout<< "circle's vftable: " << (int*)*address << std::endl; //3处 int* address2 = (int*)address + 1; std::cout << "/nshape::m_id = " << *address2 << std::endl; //5处:使用指针直接访问私有成员 *address2 = 55; circle.show(); shape = trig; //调用Circle的赋值操作符 address = (int*)&trig; std::cout << "trig address: " << address << std::endl;//II处 std::cout << "trig vftable: " << (int*)*address << std::endl; //4处 address2 = (int*)address + 1; std::cout << "/nshape::m_id = " << *address2 << std::endl; //6处 typedef void (*draw_fun)(void); int* fun_ptr = (int*)*(int*)*address; //*address: vftable address; **address: the first entry address, also Triangle::draw() address. draw_fun trigle_draw = NULL; trigle_draw = (draw_fun)(fun_ptr); //shape.draw(); trigle_draw(); shape.show(); circle.show(); //Has changed it value, to 3222 return 0; }

程序运行输入如下：

Drawing Circle. Id: 33 Drawing Triangle. Id: 3222 ================================================ Drawing Circle. Id: 33 circle's address: 0012FF50 circle's vftable: 004042F8 shape::m_id = 33 Id: 55 Shape: operator= Circle: operator= trig address: 0012FF40 trig vftable: 00404340 shape::m_id = 3222 Drawing Triangle. Id: 3222 Id: 3222

 

4. 反汇编说明多态的实现

下面通过VS2008调试，反汇编上面代码。

首先，列出draw_shape函数的汇编代码如下：

116: void draw_shape(Shape& shape) 117: { 00401050 55 push ebp 00401051 8B EC mov ebp,esp 00401053 81 EC C0 00 00 00 sub esp,0C0h 00401059 53 push ebx 0040105A 56 push esi 0040105B 57 push edi 0040105C 8D BD 40 FF FF FF lea edi,[ebp-0C0h] 00401062 B9 30 00 00 00 mov ecx,30h 00401067 B8 CC CC CC CC mov eax,0CCCCCCCCh 0040106C F3 AB rep stos dword ptr es:[edi] ;至此，堆栈初始化代码 118: shape.draw(); 0040106E 8B 45 08 mov eax,dword ptr [shape] ;有人可能会对汇编代码中出现shape符号产生疑问？ Shape明明就是一个参变量，传参时通过堆栈进行；此处，shape又是什么？其实，只是VS工具为了便于调试者查看的方便性；如果用其他反汇编工具，直接反汇编生成的exe文件，你就会发现此处代码类似如：mov eax, SS:[ebp+8]，也即压入的参数shape的值。引用类型变量存储时，类似于一个指针，指向Shape类层次中某派生类的一个实例。 00401071 8B 10 mov edx,dword ptr [eax] ；edx中为虚函数表的地址。如果一个类存在虚函数表，通常由于其基类存在虚函数或自身有虚函数，则其类的内存空间的起始4个字节，保存了虚函数表的地址；接下来才是其成员变量的存储空间。虚函数表：实际上就是一个指针数组，里面保存了类所有虚函数的地址，还存在RTTI运行时类型信息——用于运行时类型检查。 00401073 8B F4 mov esi,esp 00401075 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [shape] 00401078 8B 02 mov eax,dword ptr [edx] ；取虚函数表第一个实体的值，此处，也即虚函数draw的地址。 0040107A FF D0 call eax ；调用draw函数。 0040107C 3B F4 cmp esi,esp 0040107E E8 3D 10 00 00 call _RTC_CheckEsp (4020C0h) 119: shape.show(); 00401083 8B 4D 08 mov ecx,dword ptr [shape] 00401086 E8 15 00 00 00 call Shape::show (4010A0h) 120: } 0040108B 5F pop edi 0040108C 5E pop esi 0040108D 5B pop ebx 0040108E 81 C4 C0 00 00 00 add esp,0C0h 00401094 3B EC cmp ebp,esp 00401096 E8 25 10 00 00 call _RTC_CheckEsp (4020C0h) 0040109B 8B E5 mov esp,ebp 0040109D 5D pop ebp 0040109E C3 ret

       从上面的汇编代码可以看出，引用类型变量在汇编层次和指针完全一样；但在C++语言层次，应该搞清楚引用类型和指针类型的区别：  

• 引用类型变量在定义是就必须初始化，并且被引用对象必须存在，也即不能为NULL；
• 引用类型变量一经初始化，就不能再引用其他变量。 

上面的代码给出了对虚函数表的直接操作来访问函数，以及对类对象私有成员的直接操作。

 

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