虚函数的小秘密

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虚函数的小秘密

本文分析虚函数的小秘密，通过几个case说明为了支持虚函数，应该有什么样的约定，生成什么样的代码。

C++中虚函数用于实现多态：即方法调用和对象的动态类型绑定。具体地说对A*类型指针p指向A的公有派生类B的对象，A中有虚函数foo，B中给定foo的另一份实现，p->foo应该和B中的新实现绑定，而不是和A中的实现绑定。

一般而言，会在对象布局中插入一个虚函数表指针，在表中列出了所有的虚函数。下面以这种模型为基础讨论。

先看基类A，假定有数据成员dataA，虚函数表指针vptrA，虚函数fooA()。

从fooA本身的实现来看，在thiscall的约定下，认为ecx作为输入参数，其中的值是this指针，this指针的类型当然是A*了。要调用虚函数则要满足如下条件：
1. 能够找到fooA的实现地址。
2. ecx中含有this，this的类型是A*（即this确实指向了A的对象，而不会是A的派生类的对象）。

在此，引入一个不变式：
如果有A* ptr;那么ptr指向的内存数据的理解应该完全由A这个类型决定。无论ptr指向的确实是是一个A的对象，或者A的派生类的对象。既然如此，派生类对象应该存在某段区域，这段区域可以看到一个A的对象，ptr指向派生类时，应该指向派生类对象的这段区域。
[不变式使得向上向下转型时有指针重设，使得在ptr->foo的代码中可以断言ptr指向的对象是什么，使得可以用不变的几步操作来实现对foo的调用]

case 1

如果我们有A* ptr = new A();虚函数的调用实现应该是，从ptr指向的数据拿到虚表指针，根据偏移，进而拿到A::fooA的具体地址。将ptr直接放到ecx中。所以满足fooA的调用条件可以满足。

如果有B继承自A，B中引入虚函数fooB，数据dataB，没有override了fooA。一个可能的内存布局是：
vptrB dataB vptrA dataA。

case 2
如果有A* ptr = new B();根据前面的不变式ptr会指向vptrA的位置，如果在vptr中fooA的位置放上fooA实现的地址，这个时候调用方法没问题，和前面讨论的一样。

case 3
如果有B* ptr = new B();根据类型信息B，通过偏移量拿到vptrA，进而能拿到fooA的地址。此外，拿到vptrA的同时，也拿到了A-sub-object的地址，将这个sub object的地址放到ecx中，于是虚函数调用条件满足。

再考虑B中override了fooA的情况，不妨设这个override的函数名为fooA_override_by_B：在构造B的时候，将fooA_override_by_B填入了vptrA中对应位置。

case 4
对于A* ptr = new B();传入的ecx指向的是A这个sub-object，实际调用到的函数是fooA_override_by_B。而根据虚函数调用条件，fooA_override_by_B会认为传入的是B*。所以fooA_override_by_B分为两部分，其中一部分fooA_override_by_B_impl是具体实现，会认为传入的this是B*的。另一部分fooA_override_by_B_adjust会将传入的A*调整为B*，然后跳转到fooA_override_by_B_impl。vptrA中放的应该是fooA_override_by_B_adjust。

case 5
对于B* ptr = new B();在外部将ecx指向了A-sub-object，在fooA_override_by_B_adjust中又将指向A-sub-object的对象调整为指向B的对象。

所以，在发生override时，一方面提供对应的实现函数，这个函数接受正在override的类的指针。另一方面在被override的类的虚函数表中，放上调整函数，将父类指针调整为子类指针。这样做是可行的，因为被override的类和正在override的类的信息是编译时确定的。

讨论到这里，我们在有T* ptr时，调用虚函数的条件是这样满足的：
1. 根据T这个类型，及其继承关系，考察被调用的虚函数，找到对应的虚表指针，然后根据虚函数在虚表中的位置，确定虚函数的地址。其中T的类型，继承关系，被调用的虚函数，某个类引入的虚函数在虚表中的位置，ptr的值，这5个量是已知的。未知的是虚函数的位置。
2. 同样被调用的虚函数所属的类在T中的偏移也是个已知量，加上ptr就得到对应的sub-object的地址。

再看个多继承的例子，如果A，B作为基类，都有虚函数fooX，C继承自A，B，override了fooX。这个时候C中有三个虚函数表，在A的虚函数表中fooX应该是fooX_A_override_by_C_adjust。在B的虚函数表中foo应该是fooX_B_override_by_C_adjust。和前面的不同，我们用fooX_A表示fooX是A中的，fooX_B是B中的，两者名字相同，我们用这个后缀以作区别。两个adjust函数可以分别将A和B的指针调整为C的指针，然后分别都跳转到fooX_A_override_by_C_impl，fooX_B_override_by_C_impl实际上，这两个impl函数是同一个。当然，第三个虚函数表是C自己可以引入的虚函数，在此不影响讨论。

虚函数有什么秘密？
1.[指针约定、对象布局]形如T* ptr;应当认为指向的内存开始sizeof(T)个字节确实是一个T的对象。这就要求向上或向下转型时，有指针重设。在对象布局中子类中存在某段区域，这段区域正好是基类对象。
2.[引入虚函数表]对象中有指针指向虚函数表，使得在指向不同的虚函数表的时候，虚函数调用有不同的表现。
3.[虚函数表中的项对this的需求]在call虚函数表的某一项时，ecx中保存的是虚函数表对应的对象的this指针。
4.[override后的this修改]在子类override时，对于每一处需要修改的虚函数表（一般只有一个），由于3满足，所以可以插入将这个对象转为子类对象的转换代码，然后跳转到override后的实现。

5.[可能override多个虚函数表中的项]有多个需要修改的虚函数表时说明通过该对象同时override多个实现。

注：虚函数表共享在里没有被提及，但是并不影响分析。
所有的这些结果，根据经验推算而来，不代表实现中一定是这样。