引用：http://m.shnenglu.com/stdyh/archive/2007/01/08/17442.html

C++對(duì)象內(nèi)存布局


寫(xiě)這個(gè)文章完全是因?yàn)橄胍闱宄?vc 怎么布局每個(gè) c++ 對(duì)象,以及怎樣完成指針的轉(zhuǎn)換的過(guò)程.
　　先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題,兩個(gè)不同類型的指針相互轉(zhuǎn)換以后,他們?cè)跀?shù)值上是一樣的嗎?比如:

　　　　int nValue = 10;
　　　　int *pInt = &nValue;
　　　　void *pVoid = pInt;
　　　　char *pChar = (char*)pInt;

　 　這些指針的值(不是說(shuō)指針指向的內(nèi)存的內(nèi)容)是一樣的嗎? 如果你的回答是 yes,那如果是一個(gè)類的繼承體系呢?在繼承類向基類轉(zhuǎn)換的過(guò)程中,指針的數(shù)值還是不變化的么?如果你的回答是"不一定會(huì)變化,要看類的體系是怎么設(shè)計(jì)的 "的話,那恭喜你,不用看下去了.如果你還不確定究竟變還是不變,究竟哪些變,哪些不變,究竟為什么要變?yōu)槭裁床蛔兊脑?接著看下來(lái).

　 　c++ 標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定 c++ 實(shí)現(xiàn)的時(shí)候的對(duì)象的具體的內(nèi)存布局,除了在某些方面有小的限制以外,c++ 對(duì)象在內(nèi)存里面的布局完全是由編譯器自行決定,這里我也只是討論 vc++ .net 2003 build 7.1.3091 的實(shí)現(xiàn)方式,我并沒(méi)有在 vc5 vc6 vc.net 2002 以及其他的 2003 build 上面做過(guò)測(cè)試,結(jié)論也許不適合那些編譯平臺(tái).這些屬于編譯器具體實(shí)現(xiàn),ms 保留有在不通知你我的情況下作出更改的權(quán)利.廢話這么多,馬上開(kāi)始.

　　對(duì)于 c 的內(nèi)建指針的轉(zhuǎn)換,結(jié)果是不用多討論的,我們只是討論 c++ 的對(duì)象.從最簡(jiǎn)單的開(kāi)始.

　　　　class CBase
　　　　{
　　　　public:
　　　　　　int m_nBaseValue;
　　　　};

　　這樣的一個(gè)類在內(nèi)存里放置是非常簡(jiǎn)單的,他占有4個(gè) bytes 的空間,不用多說(shuō),我們從他派生一個(gè)類出來(lái).

　　　　class CDerive1 : public CBase
　　　　{
　　　　public:
　　　　　　int m_nDerive1Value;
　　　　};

　 　CDerive1 的對(duì)象在內(nèi)存里面是怎么放的呢? 也很簡(jiǎn)單,占有8個(gè) bytes 的空間,前4個(gè) bytes 屬于 CBase 類,后四個(gè) bytes 屬于自己.一個(gè)CDerive1 的指針轉(zhuǎn)換成一個(gè) CBase 的指針,結(jié)果是一樣的.下面我們加上多重繼承看看.

　　　　class CFinal : public CDerive,public CBase // 這里的 CDerive 是一個(gè)和 CBase 差不多的基類
　　　　{
　　　　public:
　　　　　　int m_nFinalValue;
　　　　};

　 　CFinal 的對(duì)象在內(nèi)存里面的布局稍微復(fù)雜一點(diǎn),但是也很容易想象,他占有 12 個(gè) bytes 的空間,前4個(gè)屬于 CDerive,中間4個(gè)屬于 CBase,后面4個(gè)才是自己的.那一個(gè) CFinal 的指針轉(zhuǎn)換成一個(gè) CDerive 指針,數(shù)值會(huì)變么? 轉(zhuǎn)換成一個(gè) CBase 指針呢?又會(huì)變化么?答案是,前一個(gè)不變,后一個(gè)要變化,道理非常的明顯,CFinal 對(duì)象的開(kāi)頭剛好是一個(gè) CDerive 對(duì)象,而 CBase 對(duì)象卻在 CFinal 對(duì)象的中間,自然是要變化的了,具體怎么變化呢? 加 4 就 ok(自然要檢查是否是空指針).

　　　　CBase *pBase = pFinal ? (CBase*)((char*)pFinal + sizeof(CDerive)) : 0;// 當(dāng)你寫(xiě)下 pBase = pFinal 的時(shí)候,其實(shí)是這樣的

　　這種不帶 virtual 的繼承就這么簡(jiǎn)單,只是加上一個(gè) offset 而已.下面我們看看如果加上 virtual function 的時(shí)候是什么樣子的呢?
還是從簡(jiǎn)單類開(kāi)始.

　　　　class CBase
　　　　{
　　　　public:
　　　　　　virtual void VirtualBaseFunction(){}
　　　　　　int m_nBaseValue;
　　　　};

　 　這里刻意沒(méi)有使用 virtual destructor,因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)稍微有些不同.還是同樣的問(wèn)題,CBase 類在內(nèi)存上占多大的空間?還是 4 bytes 么? 答案是 no, 在我的編譯器上面是 8 bytes,多出來(lái)的 4 bytes 是 __vfptr(watch 窗口看見(jiàn)的名字),他是一個(gè)指針,指向了類的 vtable,那什么是 vtable 呢,他是用來(lái)干什么的呢? vtable 是用來(lái)支援 virtual function 機(jī)制的,他其實(shí)是一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組(并不等同于c/c++語(yǔ)言里面的指針數(shù)組,因?yàn)樗麄兊念愋筒⒉灰欢ㄊ且粯拥?)他的每一個(gè)元素都指向了一個(gè)你定義的 virtual function,這樣通過(guò)一個(gè)中間層來(lái)到達(dá)動(dòng)態(tài)連編的效果,這些指針是在程序運(yùn)行的時(shí)候準(zhǔn)備妥當(dāng)?shù)?而不是在編譯的時(shí)候準(zhǔn)備妥當(dāng)?shù)?這個(gè)就是動(dòng)態(tài)聯(lián)編的 目的,具體是由誰(shuí)來(lái)設(shè)置這些指針的呢?constructor/destructor/copy constructor/assignment operator他們完成的,不用奇怪,編譯器會(huì)在你寫(xiě)的這些函數(shù)里面安插些必要的代碼用來(lái)設(shè)置 vtable 的值,如果你沒(méi)有寫(xiě)這些函數(shù),編譯器會(huì)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候幫你生成這些函數(shù).明白一點(diǎn), vtable 是用來(lái)支持 virtual function 機(jī)制的,而需要 virtual 機(jī)制的類基本上都會(huì)由一個(gè) __vfptr 指向他自己的 vtable.在調(diào)用 virtual function的時(shí)候,編譯器這樣完成:

　　　pBase->VirtualBaseFunction(); => pBase->__vfptr[0]();// 0 是你的virtual function 在 vtable 中的 slot number,編譯器決定

　 　現(xiàn)在應(yīng)該很想象 CBase 的大小了吧,那這個(gè) __vfptr 是放到什么位置的呢? 在 m_nBaseValue 之前還是之后呢? 在我的編譯器上看來(lái),是在之前,為什么要放到之前,是因?yàn)樵谕ㄟ^(guò) 指向類成員函數(shù)的指針調(diào)用 virtual function 的時(shí)候能少些代碼(指匯編代碼),這個(gè)原因這里就不深入討論了,有興趣的同學(xué)可以看看 inside the c++ object model 一書(shū).
　　接下來(lái),我們加上繼承來(lái)看看.

　　　　class CDerive1 : public CBase
　　　　{
　　　　public:
　　　　　　virtual void VirtualDerive1Function();
　　　　};

　 　這個(gè)時(shí)候你也許要說(shuō),內(nèi)存布局跟沒(méi)有 virtual 是一樣的,只不過(guò)每個(gè)類多了一個(gè) __vfptr 而已,呃...這個(gè)是不對(duì)的,在我的編譯器上面 兩個(gè)類共享同一個(gè) __vfptr, vtable 里面放有兩個(gè)指針,一個(gè)是兩個(gè)類共享的,一個(gè)只屬于 CDerive1 類,調(diào)用的時(shí)候如何呢?

　　　pDerive1->VirtualDerive1Function() => pDerive1->__vfptr[1]();
　　　pDerive1->VirtualBaseFunction() => pDerive1->__vfptr[0]();

　　至于指針的相互轉(zhuǎn)換,數(shù)值還是沒(méi)有變化的(也正是追求這種效果,所以把 __vfptr 放到類的開(kāi)頭,因?yàn)檎{(diào)整 this 指針也是要占有運(yùn)行時(shí)的時(shí)間的).

　 　現(xiàn)在加上多重繼承瞧瞧,代碼我不寫(xiě)上來(lái)了,就跟上面的 CFinal, CDerive, CBase 體系一樣,只是每個(gè)類多一個(gè)VirtualxxxFunction出來(lái),這個(gè)時(shí)候的指針調(diào)整還是沒(méi)有什么變化,所以我們只是看看 vtable 的情況,你會(huì)說(shuō) CDerive 和 CFinal 共享一個(gè) __vfptr,而 CBase 有一個(gè)自己的 __vfptr,而 CFinal 的 __vfptr 有 2 個(gè)slot,這個(gè)結(jié)論是正確的. 同時(shí)你也會(huì)說(shuō) 通過(guò) CFinal 類調(diào)用 CBase 的函數(shù)是要進(jìn)行指針調(diào)整的,yes you'r right,不僅僅是 this 指針調(diào)整(呃,this 指針會(huì)成為 function 的一個(gè)參數(shù)),還要調(diào)整 vtable 的值:

　　　pFinal->VirtualBaseFunction() => (CBase*)((char*)pFinal + sizeof(CDerive))->__vfptr[0]();

　　　轉(zhuǎn)換成 asm 的代碼大約是這樣的:

　　　mov eax,[pFinal] ; pFinal is a local object,pFinal will be epb - xx
　　　add eax,8 ; 8 = sizeof(CDerive)
　　　mov ecx,eax ; ecx is this pointer
　　　mov edx,[eax] ; edx = vtable address
　　　call [edx] ; call vtable[0]

　　寫(xiě)到這里也就明白this指針是怎么調(diào)整的.帶 virtual function 的繼承也不復(fù)雜,this指針調(diào)整也是很簡(jiǎn)單的,下面看最復(fù)雜的部分 virtual inheritance.

　 　我的編譯器支持虛擬繼承的方式和虛函數(shù)的方式差不多,都是通過(guò)一個(gè) table 完成,只是這個(gè)就看不到 vc 賦予的名字了,我們叫他 vbtable 吧,編譯器同樣在類里面加入一個(gè)指向 vbtable 的指針,我們叫他 __vbptr 吧,這個(gè)指針指向了 vbtable ,而 vbtable 里面的每一項(xiàng)對(duì)應(yīng)了一個(gè)基類,vbtable 記錄了每個(gè)基類的某一個(gè)偏移量,通過(guò)這個(gè)偏移量就能計(jì)算出具體類的指針的位置.看個(gè)簡(jiǎn)單的例子:

　　　class CBase
　　　{
　　　public:
　　　　　virtual ~CBase(){}
　　　};

　　　class CMid1 : public virtual CBase
　　　{
　　　public:
　　　　　virtual ~CMid1(){}
　　　　　int m_nMid1;
　　　};

　　　class CMid2 : public virtual CBase
　　　{
　　　public:
　　　　　virtual ~CMid2(){}
　　　　　int m_nMid2;
　　　};

　　　class CFinal : public CMid1,public CMid2
　　　{
　　　public:
　　　　　virtual ~CFinal(){}
　　　　　int m_nFinal;
　　　};

　　　CFinal final;
　　　CFinal *pFinal = &final;??? // pFinal = 0x0012feb4;
　　　CBase *pBase = pFinal; // pBase = 0x0012fec8 = pFinal + 0x14;
　　　CMid1 *pMid1 = pFinal; // pMid1 = 0x0012feb4 = pFinal;
　　　CMid2 *pMid2 = pFinal; // pMid2 = 0x004210b4 = pFinal;

　 　結(jié)果讓你吃驚嗎? 最奇怪的地方居然是 CMid2 和 CMid1 的地址居然是一樣的,這個(gè)是因?yàn)?vc 把 vbtable 放到了 CFinal 類的開(kāi)頭的原因,而CMid1 和 CMid2 也同樣要使用這個(gè) vbtable, 所以 這個(gè)三個(gè)的地址也就必須相同了.那 CBase 的地址是怎么出來(lái)的呢? 呃...剛剛我們說(shuō)了 vbtable 放到了CFinal 的開(kāi)頭(vc 一定會(huì)放在開(kāi)頭嗎?答案是不一定,這個(gè)稍后解釋).在我的機(jī)器上面 final 對(duì)應(yīng)內(nèi)存的第一個(gè) dword 是 0x00426030,查看這個(gè)地址,第一個(gè)dword 是 0 ,第二個(gè)就是 0x14,剛好和 pBase 的偏移相同,這個(gè)只是巧合,也許你換個(gè)類的繼承體系就完全不同了,但是我只是想說(shuō)明一點(diǎn),基類的偏移計(jì)算是和 vbtable 的值相關(guān)聯(lián)的.下面我們就來(lái)看看 vc 是怎么計(jì)算這些偏移的.
　　vc 在分析我們的代碼的時(shí)候,生成了一份類的繼承體系信息,其中有一個(gè)叫 thisDisplacement 的_PMD結(jié)構(gòu):

　　　　struct _PMD // total undocumented
　　　　{
　　　　　　int mdisp; // i think the meaning is Multiinheritance DISPlacement
　　　　　　int pdisp; // Pointer to vbtable DISPlacement
　　　　　　int vdisp; // Vbtable DISPlacement
　　　　};

　 　結(jié)構(gòu)的名字和成員變量的名字確確實(shí)實(shí)是 vc 的名字(在 watch 窗口輸入 (_PMD*)0 就能看到這個(gè)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息),每個(gè)字段的含義卻是我自己猜測(cè)出來(lái)的.mdisp 大概用來(lái)表示多重繼承(包括單一繼承)的時(shí)候的偏移量,pdisp 表示 vbtable 的偏移量,而 vdisp 表示類在 vbtable 里面的下標(biāo).那么有了這個(gè)結(jié)構(gòu)怎樣才能完成指針的轉(zhuǎn)換呢?假如我們有一個(gè)派生類指針 pFinal,要轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定的基礎(chǔ)類,我們首先要知道和這個(gè)基類對(duì)應(yīng)的 _PMD 結(jié)構(gòu)的信息(這個(gè)信息的獲取,我暫時(shí)沒(méi)有找到一個(gè)非常方便的方法,現(xiàn)在我使用的方法下面會(huì)有描述),有了這個(gè)信息以后,轉(zhuǎn)換就方便了.首先找到 vbtabel 的地址 *(pFinal + pdisp),然后找到基類的偏移 *(*(pFinal + pdisp) + vdisp) 這個(gè)偏移值是相對(duì)vbtable的,所以還要加上 vbtable的偏移,最后加上 mdisp的偏移,如下:

　　char *pFinal = xxx; // need a init value
　　char *pBase; // we must calc
　　pBase = pFinal + mdisp + *(int *)(*(int *)(pFinal + pdisp) + vdisp) + pdisp;

　　注意: 當(dāng) pdisp < 0 的時(shí)候就表示這個(gè)類沒(méi)有 vbtable 直接使用 pFinal + mdisp 就得到結(jié)果了.
　　所以這個(gè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)通用的結(jié)構(gòu),專門用作類型轉(zhuǎn)換,不管是有無(wú)虛繼承都能使用這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換.
　　通過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu),我們也能看到 vc 是怎樣布局這個(gè) object 的.

　　看到這里,也許你要大呼一口氣,媽媽呀,一個(gè)類型轉(zhuǎn)換要這么的麻煩嗎?我直接寫(xiě) pBase = pFinal 不就可以了嗎? 恭喜你還沒(méi)有被我忽悠得暈頭轉(zhuǎn)向,哈哈.其實(shí)你寫(xiě)下那行語(yǔ)句的時(shí)候,編譯器在幫你做這個(gè)轉(zhuǎn)換,大約生成下面的代碼

　　　　mov eax,[pFinal] ;final address
　　　　mov ecx,[eax] ; vbtable address *(int *)(pFinal + pdisp)
　　　　mov edx,eax ; save to edx
　　　　add edx,[ecx + 4] ; ecx + 4 is (*(int *)(pFinal + pdisp) + vdisp)
　　　　mov [pBase],edx ; edx = pFinal + mdisp + *(int *)(*(int *)(pFinal + pdisp) + vdisp) + pdisp;
　　　　; here mdisp = 0, pdisp = 0, vdisp = 4

　 　也許你要說(shuō)了,我要這些東西來(lái)干什么?要轉(zhuǎn)換的時(shí)候直接轉(zhuǎn)換就好了,編譯器會(huì)幫做,的確,大多數(shù)的時(shí)候確實(shí)是這樣,但是,在某些時(shí)候卻并不如此,現(xiàn)在你 要實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能,輸入一個(gè)指針,輸入一個(gè) _PMD 結(jié)構(gòu),你要實(shí)現(xiàn)一個(gè)AdjustPointer 的函數(shù)來(lái)生成另一個(gè)指針.這個(gè)時(shí)候你也只能這樣完成了,因?yàn)槲覜](méi)有給你兩個(gè)指針的名字,就算給了你字符串形式的名字也沒(méi)有用,呃....你也許會(huì)說(shuō),辦法 是有的,的確是有,模板就能實(shí)現(xiàn)這種功能,呵..這個(gè)我們暫時(shí)不討論具體的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié).也許你要問(wèn)了,究竟什么時(shí)候會(huì)去實(shí)現(xiàn)這種聽(tīng)都沒(méi)有聽(tīng)過(guò)的功能,其實(shí)這 個(gè)函數(shù)是真正存在的,只不過(guò)不是由你來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而是 ms 的人實(shí)現(xiàn)的,你只用寫(xiě)一個(gè) 帶有 c++ 異常的程序,使用 ida 反匯編,然后查找函數(shù),就能找到這個(gè)函數(shù)了,他用來(lái)在異常處理時(shí)創(chuàng)建 catch 所需要的 object.至于這個(gè)詳細(xì)的信息,請(qǐng)期待.我會(huì)最快速度寫(xiě)出關(guān)于 vc 是怎樣實(shí)現(xiàn) c++ 異常的文章來(lái).

　　最后了,說(shuō)說(shuō)那個(gè) _PMD 結(jié)構(gòu)的獲取方式.看的時(shí)候不要吃驚,方法比較的麻煩,比如我想知道和 CFinal 類相關(guān)的 _PMD 信息,先新建工作,寫(xiě)下 throw pFinal 這樣的語(yǔ)句,編譯,在這個(gè)語(yǔ)句的地方設(shè)置斷點(diǎn),運(yùn)行,轉(zhuǎn)到反匯編,進(jìn)入 __CxxThrowException@8 函數(shù),這個(gè)時(shí)候不出意外你能看到一個(gè)叫 pThrowInfo 的東西(如果看不到,請(qǐng)打開(kāi)"顯示符號(hào)名"選項(xiàng)),在 watch 窗口里面輸入pThrowInfo,展開(kāi)他,看到一個(gè)pCatchableTypeArray,記錄下他的 nCacthableTypes的值,然后在 watch 里面輸入
pThrowInfo->pCatchableTypeArray->arrayOfCatchableTypes[0] 到 pThrowInfo->pCatchableTypeArray->arrayOfCatchableTypes[n], n 就是你剛剛記錄的值減1,再展開(kāi)他們,你就能看到一個(gè) thisDisplacement 的數(shù)據(jù),繼續(xù)展開(kāi)就是 mdisp 等等了,很是麻煩吧.哈..你已經(jīng)猜到了,這個(gè)是和異常有關(guān)系的.

　　后記: 這段時(shí)間,我一直在讀些反匯編之后的代碼,也頗有些心得,所以才有想法寫(xiě)一些文章,探討 vc 編譯器鮮為人知(太過(guò)狂妄了)的秘密,這個(gè)方面的文章也有人寫(xiě)過(guò),那些文章也給我不少的啟發(fā),我不認(rèn)為自己是第一個(gè)發(fā)現(xiàn)這些秘密的人,但是至少我自己知道 的,我是第一個(gè)把這些東西寫(xiě)出來(lái)的人.文章里面作墨多的部分都是自己發(fā)現(xiàn)的.就這個(gè)文章里面的內(nèi)容來(lái)說(shuō),inside the c++ object model 是有比較詳細(xì)的描寫(xiě),但是他并不是轉(zhuǎn)換針對(duì) vc 這個(gè)編譯器的實(shí)現(xiàn),而 _PMD 這個(gè)結(jié)構(gòu)我也沒(méi)有在什么地方見(jiàn)有人描述過(guò),只是在 windows develop network 的2002年12月的雜志上看有人提到過(guò)這個(gè)結(jié)構(gòu),可惜他卻沒(méi)有了解(至少他在他發(fā)表文章的時(shí)候是如是說(shuō)的)這個(gè)結(jié)構(gòu)的用處(正是因?yàn)檫@個(gè)原因,我才有寫(xiě) 這個(gè)文章以及后續(xù)文章的沖動(dòng)).所以,這個(gè)文章也算是我自己的原創(chuàng)吧.這個(gè)文件雖然和游戲制造沒(méi)有太大的關(guān)系,但是小 T 自視清高,不愿意自己的文章被一幫不懂的人評(píng)價(jià)來(lái)評(píng)價(jià)去的,所以也沒(méi)有發(fā)到那些著名的 xxx 網(wǎng)站,只發(fā) goldpoint.轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處(小 T 對(duì)自己的第一個(gè)原創(chuàng)文章比較珍惜,比較重視,謝謝).