浅析C++中虚函数的调用及对象的内部布局

在我那篇 《浅析C++中的this指针》 中，我通过分析C++代码编译后生成的汇编代码来分析this指针的实现方法。这次我依然用分析C++代码编译后生成的汇编代码来说明C++中虚函数调用的实现方法，顺便也说明一下C++中的对象内部布局。下面所有的汇编代码都是用VC2005编译出来的。虽然，不同的编译器可能会编译出不同的结果，对象的内部布局也不尽相同；但是，只要是符合C++标准的编译器，编译结果和对象的内部布局应该是大同小异。
首先，是一个有着简单继承关系的两个类：

现在用下面的代码来调用成员函数：

下面就是用VC2005编译上面的代码后生成的汇编代码：

通过对代码段1的观察我们可以发现：通过对象调用类的虚成员函数和调用非虚成员函数是相同的（对调用成员函数的汇编代码的分析可以看我的那篇 《浅析C++中的this指针》 ）。也就是说，用对象是无法实现多态的。
下面主要来分析实现多态的代码段2。
行1、将pTest指针指向的地址前2个字（4个字节，也就是32位系统中一个指针的大小）的内容当成一个指针放到eax寄存器中
行2、将eax寄存器中的指针的值放入edx寄存器
行3、将dex寄存器中的指针的值放入eax寄存器
行4、调用eax寄存器指向的函数
这样分析似乎对怎样调用对象derived的虚函数VFun1()并不是很清楚。那么我们先来看下面的这张图：

这张图是一个假设的对象derived在内存中的内部布局图。指针pTest指向对象derived，而对象derived的前4个字节是一个虚表指针，指向虚函数表。
看着这张图再来分析上面的汇编代码就会清晰很多：
行1、取得虚表指针值放入eax寄存器中
行2、取得虚表指针的值放入edx寄存器中
行3、取得虚表指针指向的地址的值（也就是VFun1）放入eax寄存器中
行4、调用eax寄存器指向的函数
行5证明了上面图中对虚函数表的假设。第二个虚函数VFun2()的地址就是通过在第一虚函数VFun1()的地址加4（32位系统中一个指针的大小）而得到的。
通过上面的分析，可以得出C++中虚函数的调用方法：首先，取得对象中的虚表指针；然后，通过虚表指针找到相应的虚表；最后，通过在虚表内的偏移量找到相应的函数来调用。
下面通过分析类CDerived的非虚成员函数Fun2()来证明上面图中虚函数表指针的存在。

上面是类CDerived的非虚成员函数Fun2()的汇编代码。可以看到，行6是将this指向的地址放入eax寄存器，而行7是给this指针指向的地址加4的地址赋值（具体的分析，可以看 《浅析C++中的this指针》 ），而这个地址里面存放的是类CDerived的第一个成员变量。我们知道this指针是指向对象首地址的，那么为什么要给第一个成员变量赋值的时候要向后移动4个字节？答案是因为对象的前4个字节是用来存放虚表指针的。
下面的代码是 《浅析C++中的this指针》 一文中的不含虚函数的类的C++代码和编译后的汇编代码：

通过行8、行9和行6、行7的比较就可以看出：类CTest的对象前4个字节存放的是自己的第一个成员变量；而类CDerived的对象从第5个字节开始才是存放的自己的第一个成员变量，它的前4个字节是用来存放虚表指针的。这再一次证明了上面图中对象内部布局的正确性。

PS：

这篇文章可以说是 《浅析C++中的this指针》 的续篇，最后我说说我为什么会用这种方法来分析C++，也算是对 《浅析C++中的this指针》 一文中网友评论的回复吧。
dch4890164建议我看inside the c++ object model；而hacker47却说了风凉话：“孔乙己说：回字有三种写法，你们知道么？”；最直接的是wengch，直接反问我：“用汇编分析C++.....有意义么?”。而我要说的是，《Inside The C++ Object Model》这本书我看过，确实是一本非常好的讲解C++底层的书。可是由于平时写C++代码的时候，很少会关心底层的实现，所以那本书看过之后留下的印象并不深刻。而用汇编代码来分析C++也是源于一个很偶然的事件：就是 《浅析C++中的this指针》 一文中提到的可以用一个类的空指针来调用成员函数。我发现我的C++知识不能解释那种现象，在Debug代码的时候，我转到了汇编代码中来寻找答案。后来就把我的分析结果写成了那篇 《浅析C++中的this指针》 。说实话，这也是我第一次接触Windows下的汇编语言，文章中的分析都是边看资料边揣摩得出的。也许会有人觉得我这种方法不值一提，但是我却通过这种方法对C++的底层实现加深了了解。如果网友们看了觉得有收获，那我就心满意足了。呵呵～～

浅析C++中虚函数的调用及对象的内部布局