C++虚函数表分析

先看代码：

#include <iostream>

using namespace std;

class Base {
public:
    virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
    virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
    virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
};

class Derive : public Base{
public:
    void g() {cout<<"derive::g"<<endl;}
};

//可以稍后再看
int main () {
    cout<<"size of Base: "<<sizeof(Base)<<endl;

    typedef void(*Func)(void);
    Base b;
    Base *d = new Derive();

    long* pvptr = (long*)d;
    long* vptr = (long*)*pvptr;
    Func f = (Func)vptr[0];
    Func g = (Func)vptr[1];
    Func h = (Func)vptr[2];

    f();
    g();
    h();

    return 0;
}

    都知道C++中的多态是用虚函数实现的： 子类覆盖父类的虚函数， 然后声明一个指向子类对象的父类指针， 如Base *b = new Derive();
当调用b->f()时， 调用的是子类的Derive::f()。 
这种机制内部由虚函数表实现，下面对虚函数表结构进行分析，并且用GDB验证。
 
1. 基础知识：
(1) 32位os 指针长度为4字节， 64位os 指针长度为8字节， 下面的分析环境为64位 linux & g++ 4.8.4.
(2) new一个对象时， 只为类中成员变量分配空间， 对象之间共享成员函数。

2. _vptr
    运行下上面的代码发现sizeof(Base) = 8, 说明编译器在类中自动添加了一个8字节的成员变量， 这个变量就是_vptr, 指向虚函数表的指针。
_vptr有些文章里说gcc是把它放在对象内存的末尾，VC是放在开始， 我编译是用的g++，验证了下是放在开始的：

验证代码：取对象a的地址与a第一个成员变量n的地址比较，如果不等，说明对象地址开始放的是_vptr. 也可以用gdb直接print a 会发现_vptr在开始

class A
{
public:
      int n;
      virtual void Foo(void){}
};

int main()
{
     A a;
     char *p1 = reinterpret_cast<char*>(&a);
     char *p2 = reinterpret_cast<char*>(&a.n);
     if(p1 == p2)
     {
        cout<<"vPtr is in the end of class instance!"<<endl;
     }else
     {
        cout<<"vPtr is in the head of class instance!"<<endl;
     }
     return 1;
}

(3) 虚函数表
    包含虚函数的类才会有虚函数表， 同属于一个类的对象共享虚函数表， 但是有各自的_vptr.
    虚函数表实质是一个指针数组，里面存的是虚函数的函数指针。

Base中虚函数表结构：

Derive中虚函数表结构：

(4)验证
运行上面代码结果：
    size of Base: 8
    base::f
    derive::g
    base::h

说明Derive的虚函数表结构跟上面分析的是一致的：
    d对象的首地址就是vptr指针的地址-pvptr，
    取pvptr的值就是vptr-虚函数表的地址
    取vptr中[0][1][2]的值就是这三个函数的地址
    通过函数地址就直接可以运行三个虚函数了。
    函数表中Base::g()函数指针被Derive中的Derive::g()函数指针覆盖， 所以执行的时候是调用的Derive::g()

(5)多继承

附 GDB调试：

(1) #生成带有调试信息的可执行文件
g++ test.cpp -g -o test    

(2) #载入test
gdb test

(3) #列出Base类代码
(gdb) list Base
1       #include <iostream>
2
3       using namespace std;
4
5       class Base {
6       public:
7           virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
8           virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
9           virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
10      };

（4） #查看Base函数地址
(gdb) info line 7 
Line 7 of "test.cpp" starts at address 0x400ac8 <Base::f()> and ends at 0x400ad4 <Base::f()+12>.
(gdb) info line 8
Line 8 of "test.cpp" starts at address 0x400af2 <Base::g()> and ends at 0x400afe <Base::g()+12>.
(gdb) info line 9
Line 9 of "test.cpp" starts at address 0x400b1c <Base::h()> and ends at 0x400b28 <Base::h()+12>.

（5）#列出Derive代码
(gdb) list Derive 
7           virtual void f() {cout<<"base::f"<<endl;}
8           virtual void g() {cout<<"base::g"<<endl;}
9           virtual void h() {cout<<"base::h"<<endl;}
10      };
11
12      class Derive : public Base{
13      public:
14          void g() {cout<<"derive::g"<<endl;}
15      };

（6）#查看Derive函数地址
(gdb) info line 14
Line 14 of "test.cpp" starts at address 0x400b46 <Derive::g()> and ends at 0x400b52 <Derive::g()+12>.

（7）#start执行程序，n单步执行
(gdb) start
Temporary breakpoint 1, main () at test.cpp:19
19          cout<<"size of Base: "<<sizeof(Base)<<endl;
(gdb) n
size of Base: 8
22          Base b;
(gdb)
23          Base *d = new Derive();
(gdb)
25          long* pvptr = (long*)d;
(gdb)
26          long* vptr = (long*)*pvptr;
(gdb)
27          Func f = (Func)vptr[0];
(gdb)
28          Func g = (Func)vptr[1];
(gdb)
29          Func h = (Func)vptr[2];
(gdb)
31          f();
(gdb)

（8） #print d对象， 0x400c90为成员变量_vptr的值，也就是函数表的地址
(gdb) p *d 
$4 = {_vptr.Base = 0x400c90 <vtable for Derive+16>}
(gdb) p vptr
$6 = (long *) 0x400c90 <vtable for Derive+16>
（9） #查看函数表值，与之前查看函数地址一致
(gdb) p (long*)vptr[0]
$9 = (long *) 0x400ac8 <Base::f()>
(gdb) p (long*)vptr[1]
$10 = (long *) 0x400b46 <Derive::g()>
(gdb) p (long*)vptr[2]
$11 = (long *) 0x400b1c <Base::h()>

另vptr. vtable内存位置， refer  http://www.tuicool.com/articles/iUB3Ebi