多重继承中的虚拟表解析

Question

我有一个类实现了两个抽象类，如下所示。没有虚继承。没有数据成员。

class IFace1 {
public:
    virtual void fcn(int abc) = 0;
};

class IFace2 {
public:
    virtual void fcn1(int abc) = 0;
};

class RealClass: public IFace1, public IFace2 {
public:
    void fcn(int a) {
    }

    void fcn1(int a) {
   }
};

我发现RealClass的虚函数表和对象内存布局如下。

Vtable for RealClass
RealClass::_ZTV9RealClass: 7u entries
0     (int (*)(...))0
8     (int (*)(...))(& _ZTI9RealClass)
16    (int (*)(...))RealClass::fcn
24    (int (*)(...))RealClass::fcn1
32    (int (*)(...))-8
40    (int (*)(...))(& _ZTI9RealClass)
48    (int (*)(...))RealClass::_ZThn8_N9RealClass4fcn1Ei

Class RealClass
    size=16 align=8
    base size=16 base align=8
RealClass (0x2af836d010e0) 0
    vptr=((& RealClass::_ZTV9RealClass) + 16u)
    IFace1 (0x2af836cfa5a0) 0 nearly-empty
        primary-for RealClass (0x2af836d010e0)
    IFace2 (0x2af836cfa600) 8 nearly-empty
        vptr=((& RealClass::_ZTV9RealClass) + 48u)

我对这个很困惑。RealClass::_ZThn8_N9RealClass4fcn1Ei是什么？为什么IFace2的vptr指向它？当我从IFace2*调用fcn1时会发生什么？程序如何在RealClass的Vtable中找到fcn1？我猜它需要使用IFace2的vptr，但不清楚具体是如何实现的。

- szli

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有很多实现这个的方法。一个好的、有良好文档的方法是http://refspecs.linuxbase.org/cxxabi-1.83.html（但它可能与您使用的不匹配）。 - Alan Stokes

尝试查看为此调用生成的代码？ - Alan Stokes

RealClass::_ZThn8_N9RealClass4fcn1Ei 是一个 RealClass::non-virtual thunk to RealClass::fcn1(int)，可能旨在进行内联和其他调用优化。提示：c++filt 程序是您的好朋友。 - user3159253

我认为RealClass::_ZThn8_N9RealClass4fcn1Ei是gcc用来指导函数调用到RealClass::fcn1的魔法函数。当我们使用IFace2*调用fcn1时，它只是调用由其vptr指向的函数。 - szli

Answer 1

警告：以下大部分内容当然是实现和平台相关的，并且是简化过的。我将按照您的示例中实现的方式进行操作——可能是GCC，64位。

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首先，虚拟类的实例的契约是什么？例如，如果您有一个变量IFace1* obj：

• 在obj + 0处有指向虚拟表的指针。
• 任何成员数据字段都将继续在obj + 8（sizeof(void*)）处。
• 虚拟表包含一个记录，该记录在vtbl + 0处指向void fcn(int)。
• 在表中，还有一个指向类的typeinfo的指针，在vtbl-8处（由dynamic_cast等使用），以及在vtbl-16处的"基础偏移量"。

任何看到IFace1*类型变量的函数都可以依赖于这一点。对于IFace2*同样适用。

• 如果他们想调用虚拟函数void fcn(int)，则查看obj+0以获取虚拟表，然后查看vtbl+0并调用找到的地址。将this设置为obj。
• 如果他们想访问成员字段（自己访问，例如，如果字段具有公共访问权限，或者如果存在内联访问器），则只需读取/写入其地址obj+xxx处的成员即可。
• 如果他们想知道实际类型是什么，则从对象地址减去vtbl-16处的值，然后查看基础对象引用的虚拟表的typeinfo指针。

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现在，编译器如何满足具有多重继承的类的这些要求？

1) 首先，它需要为自己生成结构。虚拟表指针必须位于obj + 0处，因此在那里。表将是什么样子呢？嗯，偏移量为0，显然，typeinfo数据和指针很容易生成，然后是第一个虚拟函数和第二个虚拟函数，没什么特别的。任何知道RealClass定义的人都可以进行相同的计算，因此他们知道在vtable中找到函数的位置等。

2) 然后它使得RealClass能够以IFace1的形式传递。因此，在对象中需要有一个指向虚表的指针，格式为IFace1，然后虚表必须具有void fcn(int)的一条记录。

编译器很聪明，它看到它可以重用已经生成的第一个虚表，因为它符合这些要求。如果有任何成员字段，它们将存储在第一个指向虚表的指针之后，所以即使是它们也可以像派生类是基类一样简单地访问。目前为止还不错。

3) 最后，如何让其他人能够将该对象用作IFace2？不能再使用已经创建的虚表，因为IFace2需要其void fcn1(int)位于vtbl+0处。

因此，另一个虚表被创建，您在转储中立即看到它，指向它的指针存储在RealClass中的下一个可用位置。这个第二个虚表需要将基础偏移量设置为-8，因为真实对象从偏移量-8开始。它仅包含指向IFace2虚函数void fcn1(int)的指针。

对象中的虚指针（在偏移量obj+8处）然后将跟随IFace2的任何成员数据字段，以便任何继承或内联函数再次在给定该接口的指针时工作。

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好的，现在有人如何调用IFace2中的fcn1()？那个non-virtual thunk to RealClass::fcn1(int)是什么？

如果您将您的RealClass*指针传递给一个接受IFace2*的陌生函数，编译器将发出代码来增加您的指针8个字节（或者sizeof(void*) + sizeof(IFace1)的大小），以便该函数获取以IFace2的虚表指针开头的指针，然后是其成员字段-正如我之前概述的合同所约定的那样。

当该函数想要调用void IFace2::fcn1(int)时，它查看虚表，转到该特定函数的记录（第一个也是唯一一个）并调用它，this设置为作为指向IFace2的指针传递的地址。

这里出现了一个问题：如果有人在指向 RealClass 的指针上调用此方法，this 指向 RealClass 的基类。对于 IFace1 也是一样的。但如果由具有指向 IFace2 接口的指针的人调用它，则 this 将指向对象内部的 8（或多个）字节！

因此，编译器需要多次生成该函数以适应这种情况，否则无法正确访问成员字段和其他方法，因为这取决于谁调用该方法。

为了避免代码实际上重复，编译器通过创建隐藏的隐式小thunk函数来优化此过程，该函数只需进行以下操作：

1. 按正确的数量减少 this 指针，
2. 调用真正的方法，现在可以正常工作，而不管是谁调用的。

- Yirkha