没脚的雀

C++对象内存布局

发表于

C++对象内存布局–gdb初探

继承、多态是OOP中两大特性。C++号称是面向对象的语言，自然也要支持上面的两种设计特性。这里主要探究g++中对这两大特性的支持——vtables。大部分内容参考自 C++ vtables 。

多态与继承–vtable的作用

在本小节的讨论中, 我们使用如下的继承体系:

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#include <iostream>

using namespace std;

class Person {
    public:
        Person():iPerson(1){}
        int iPerson;
        virtual void helloPerson() { cout << "Person::helloPerson()" << endl; }
};
class Father: public Person {
    public:
        Father():iFather(2){}
        int iFather;
        virtual void helloFather() { cout << "Father::helloFather()" << endl; }
};
class Mother: public Person {
    public:
        Mother():iMother(3){}
        int iMother;
        virtual void helloMother() { cout << "Mother::helloMother()" << endl; }
};
class Child: public Father, public Mother {
    public:
        Child():iChild(4){}
        int iChild;
        virtual void helloChild() { cout << "Child::helloChild()" << endl; }
};

int main() {
    Person person;
    person.helloPerson();
    Father father;
    father.helloFather();
    Mother mother;
    mother.helloMother();
    Child child;
    child.helloChild();
    // child.helloPerson(); // compile error: request for member "helloPerson()" is ambiguous;
}

gdb设置

使用g++对上面的代码进行编译，以及gdb设置断点

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$ g++ -g multi-inher.cpp -o multi-inher
$ gdb multi-inher
(gdb) set p obj on
(gdb) set p pretty on
(gdb) b 38
Breakpoint 1 at 0x4009e9: file mutli-inher.cpp, line 38.
(gdb) r
Starting program: /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher 
Person::helloPerson()
Father::helloFather()
Mother::helloMother()

Breakpoint 1, main () at mutli-inher.cpp:38
warning: Source file is more recent than executable.
38	    child.helloChild();

child变量内存布局

查看child变量的内存布局

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(gdb) call sizeof(Child)
$1 = 40
(gdb) x/48xb &child
0x7fffffffe1c0:	0xd0	0x0c	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1c8:	0x01	0x00	0x00	0x00	0x02	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1d0:	0xf8	0x0c	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1d8:	0x01	0x00	0x00	0x00	0x03	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1e0:	0x04	0x00	0x00	0x00	0xff	0x7f	0x00	0x00
0x7fffffffe1e8:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
(gdb) p child
$2 = (Child) {
  <Father> = {
    <Person> = {
      _vptr.Person = 0x400cd0 <vtable for Child+16>, 
      iPerson = 1
    }, 
    members of Father: 
    iFather = 2
  }, 
  <Mother> = {
    <Person> = {
      _vptr.Person = 0x400cf8 <vtable for Child+56>, 
      iPerson = 1
    }, 
    members of Mother: 
    iMother = 3
  }, 
  members of Child: 
  iChild = 4
}

从x/48xb &child的输出，我们可以观察到Child的大小为40, child变量的内存地址在: 0x0x7fffffffe1c0，而且貌似这些内存位置上面对应的值是一些地址，看看这些地址对应的symbol是什么。

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(gdb) info symbol 0x400cd0
vtable for Child + 16 in section .rodata of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400cf8
vtable for Child + 56 in section .rodata of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher

整理如下，可以看到child中包含了两个指针，指向了Child类的vtable的不同偏移位置，这两个指针就是虚指针了。

地址 十六进制值 对应的symbol
0x7fffffffe1c0 0x400cd0 vtable for Child + 16
0x7fffffffe1c8 0x0000000100000002 Father::iPerson, Father::iFather
0x7fffffffe1d0 0x400cf8 vtable for Child + 56
0x7fffffffe1d8 0x0000000100000003 Mother::iPerson, Mother::iMother
0x7fffffffe1e0 0x0000000400000000 Child::iChild, padding

Child的vtable的内容

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(gdb) x/80xb 0x400cd0 - 16
0x400cc0 <_ZTV5Child>:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400cc8 <_ZTV5Child+8>:	0x80	0x0d	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400cd0 <_ZTV5Child+16>:	0x6e	0x0a	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400cd8 <_ZTV5Child+24>:	0xc8	0x0a	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400ce0 <_ZTV5Child+32>:	0x98	0x0b	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400ce8 <_ZTV5Child+40>:	0xf0	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff
0x400cf0 <_ZTV5Child+48>:	0x80	0x0d	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400cf8 <_ZTV5Child+56>:	0x6e	0x0a	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d00 <_ZTV5Child+64>:	0x22	0x0b	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d08:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
(gdb) info symbol 0x400d80
typeinfo for Child in section .rodata of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400a6e
Person::helloPerson() in section .text of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400ac8
Father::helloFather() in section .text of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400b98
Child::helloChild() in section .text of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400d80
typeinfo for Child in section .rodata of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher
(gdb) info symbol 0x400b22
Mother::helloMother() in section .text of /software/home/recsys/BookCode/cppObj/multi-inher

整理如下:

内存地址 十六进制值 symbol
0x400cc0 0x0000000 top-offset(稍后说明)
0x400cc8 0x400d80 typeinfo for Child
0x400cd0 0x400a6e Person::helloPerson()
0x400cd8 0x400ac8 Father::helloFather()
0x400ce0 0x400b98 Child::helloChild()
0x400ce8 -16 top-offset
0x400cf0 0x400d80 typeinfo for Child
0x400cf8 0x400a6e Person::helloPerson()
0x400d00 0x400b22 Mother::helloMother()

child的vtable包含的内容包括：

  • top-offset: 对象起始地址与当前vptr所属子对象起始地址的偏移

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    [cling]$ .L mutli-inher.cpp
    [cling]$ Child child
    (Child &) @0x7f963138b018
    [cling]$ Father * pF = &child
    (Father *) 0x7f963138b018
    [cling]$ Mother * pM = &child
    (Mother *) 0x7f963138b028

    从上面可以看到，当进行指针转换，将子类地址赋值给第二继承类的指针变量时，在这里则是将Child变量地址赋值给Mother指针变量时，需要用到vtable存储的top-offset, pM = &child - (-16) ;

    top-offset与vptr的关系: top-offset = vptr[-2]

  • typeinfo: 当前类信息编译器开了RTTI，将会在vptr[-1]位置存储当前类的typeinfo对象；

  • virtual function: 最后是一些虚函数对应的地址；

    • vptr[i]—当前类对应的第i个虚函数

child变量与Child类的vtable的关系如下：

1549810057207

因此，vtable的作用包括了一下两点:

  • 记录虚函数地址；
  • 记录当前类的类型信息；
  • 记录对象起始地址与子对象起始地址之间的偏移；

菱形继承–虚继承

在上面小节的继承体系下，child变量将会保存两份parent子对象，因而，导致了

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child.helloParent();

编译错误。通常情况下，我们并不希望在child中保存两份子对象，OOP中通过虚继承解决上面的问题

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#include <iostream>

using namespace std;

class Person {
    public:
        Person():iPerson(1){}
        int iPerson;
        virtual void helloPerson() { cout << "Person::helloPerson()" << endl; }
};
class Father: public virtual Person {
    public:
        Father():iFather(2){}
        int iFather;
        virtual void helloFather() { cout << "Father::helloFather()" << endl; }
};
class Mother: public virtual Person {
    public:
        Mother():iMother(3){}
        int iMother;
        virtual void helloMother() { cout << "Mother::helloMother()" << endl; }
};
class Child: public Father, public Mother {
    public:
        Child():iChild(4){}
        int iChild;
        virtual void helloChild() { cout << "Child::helloChild()" << endl; }
};

int main() {
    Person person;
    person.helloPerson();
    Father father;
    father.helloFather();
    Mother mother;
    mother.helloMother();
    Child child;
    child.helloChild();
}

child 变量内存布局

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(gdb) p child
$1 = (Child) {
  <Father> = {
    <Person> = {
      _vptr.Person = 0x400da0 <vtable for Child+96>, 
      iPerson = 1
    }, 
    members of Father: 
    _vptr.Father = 0x400d58 <vtable for Child+24>, 
    iFather = 2
  }, 
  <Mother> = {
    members of Mother: 
    _vptr.Mother = 0x400d80 <vtable for Child+64>, 
    iMother = 3
  }, 
  members of Child: 
  iChild = 4
}
(gdb) call sizeof(Child)
$2 = 48
(gdb) x/56xb &child
0x7fffffffe1b0:	0x58	0x0d	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1b8:	0x02	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1c0:	0x80	0x0d	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1c8:	0x03	0x00	0x00	0x00	0x04	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1d0:	0xa0	0x0d	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1d8:	0x01	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x7fffffffe1e0:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00

可以看到，在使用了虚继承之后，Child的大小变成了48，对比上小节中child变量的内存布局，可以发现，多出来的8字节来自于Father子对象数据iFather以及Parent子对象iParent的内存对齐

通过 info symbol 查看child内存上面各个地址的对象：

地址 十六进制值 对应的symbol
0x7fffffffe1b0 0x400d58 vtable for Child + 24
0x7fffffffe1b8 0x0000000000000002 Father::iFather, padding
0x7fffffffe1c0 0x400d80 vtable for Child + 64
0x7fffffffe1c8 0x0000000300000004 Mother::iMother, Child::iChild
0x7fffffffe1d0 0x400da0 vtable for Child+96
0x7fffffffe1d8 0x0000000100000000 Parent::iParent, padding

与前一节不同的是：

  • Parent子对象被放置在整个对象靠后的地址

虚继承下，Child类的vtable

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(gdb) x/112xb 0x400d58 - 24
0x400d40 <_ZTV5Child>:	0x20	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d48 <_ZTV5Child+8>:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d50 <_ZTV5Child+16>:	0x60	0x0f	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d58 <_ZTV5Child+24>:	0xcc	0x0a	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d60 <_ZTV5Child+32>:	0x36	0x0c	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d68 <_ZTV5Child+40>:	0x10	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d70 <_ZTV5Child+48>:	0xf0	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff
0x400d78 <_ZTV5Child+56>:	0x60	0x0f	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d80 <_ZTV5Child+64>:	0x8a	0x0b	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d88 <_ZTV5Child+72>:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400d90 <_ZTV5Child+80>:	0xe0	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff	0xff
0x400d98 <_ZTV5Child+88>:	0x60	0x0f	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400da0 <_ZTV5Child+96>:	0x0e	0x0a	0x40	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00
0x400da8:	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00	0x00

查看vtable的内容：

内存地址 十六进制值 symbol
0x400d40 0x20 virtual-base offset
0x400d48 0x00 top-offset
0x400d50 0x400f60 typeinfo for Child
0x400d58 0x400acc Father::helloFather()
0x400d60 0x400c36 Child::helloChild()
0x400d68 0x10 virtual-base offset
0x400d70 -16 top-offset
0x400d78 0x400f60 typeinfo for Child
0x400d80 0x400b8a Mother::helloMother()
0x400d88 0x00 virtual-base offset
0x400d90 -32 top-offset
0x400d98 0x400f60 typeinfo for Child
0x400da0 0x400a0e Parent::helloParent()

虚继承情况下，Child的vtable与上一小节的vtable主要的不同在于：

  • 增加了一个virtual-base offset用于记录共享子对象起始地址与当前对象起始地址之间的偏差
  • 由于g++将共享子对象放置在整个对象靠后的地址，Parent与Child无法共享vptr，因此vtable增加了与Parent相关的信息

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大佬给口饭吃咧