Visual C++ 里的 Classes, Methods and RTTI
类的基本布局
为了说明以下内容,让我们考虑这个简单的例子:
class A
{
int a1;
public:
virtual int A_virt1();
virtual int A_virt2();
static void A_static1();
void A_simple1();
}; class B
{
int b1;
int b2;
public:
virtual int B_virt1();
virtual int B_virt2();
}; class C: public A, public B
{
int c1;
public:
virtual int A_virt2();
virtual int B_virt2();
};
在大多数情况下,MSVC按以下顺序排列类:
- 指向虚拟函数表(vtable或vftable)的指针,仅当类具有虚拟方法且基类中没有合适的表可重用时添加
- 基类
- 类成员
虚拟函数表由虚拟方法的地址按其第一次出现的顺序组成。重载函数的地址替换基类中函数的地址。因此,我们三个类的布局如下所示:
class A size(8):
+---
0 | {vfptr}
4 | a1
+--- A's vftable:
0 | &A::A_virt1
4 | &A::A_virt2 class B size(12):
+---
0 | {vfptr}
4 | b1
8 | b2
+--- B's vftable:
0 | &B::B_virt1
4 | &B::B_virt2 class C size(24):
+---
| +--- (base class A)
0 | | {vfptr}
4 | | a1
| +---
| +--- (base class B)
8 | | {vfptr}
12 | | b1
16 | | b2
| +---
20 | c1
+--- C's vftable for A:
0 | &A::A_virt1
4 | &C::A_virt2 C's vftable for B:
0 | &B::B_virt1
4 | &C::B_virt2
上面的图表是由VC8编译器使用未记录的开关生成的。若要查看编译器生成的类布局,请使用-d1reportSingleClassLayout查看单个类的布局-d1reportAllClassLayout查看所有类(包括内部CRT类)的布局,这些布局将转储到stdout。如您所见,C有两个vftable,因为它继承了两个类,这两个类都已经有了虚拟函数。A的地址替换C的vftable中A::A的地址,C::B的地址替换另一个表中B::B的地址。
调用约定和类方法
默认情况下,MSVC中的所有类方法都使用thiscall约定。类实例地址(this指针)在ecx寄存器中作为隐藏参数传递。在方法体中,编译器通常会立即将其放入其他寄存器(如esi或edi)和/或堆栈变量中。类成员的所有进一步寻址都是通过该寄存器和/或变量完成的。但是,在实现COM类时,使用了“stdcall”约定。下面是各种类方法类型的概述。
- Static Methods
静态方法不需要类实例,因此它们的工作方式与公共函数相同。不,这个指针被传递给他们。因此,不可能可靠地区分静态方法和简单函数。例子:A::A_static1();
call A::A_static1 - 简单方法
简单方法需要一个类实例,因此这个指针作为一个隐藏的第一个参数传递给它们,通常使用thiscall约定,即在ecx寄存器中。如果基对象不在派生类的开头,则需要调整此指针,使其在调用函数之前指向基子对象的实际开头。例子:;pC->A_simple1();
;esi = pC
push
mov ecx, esi
call A::A_simple1 ;pC->B_simple1(,);
;esi = pC
lea edi, [esi+] ;adjust this
push
push
mov ecx, edi
call B::B_simple1如您所见,在调用B的方法之前,会将this指针调整为指向B子对象。
- 虚方法
要调用虚拟方法,编译器首先需要从vftable中获取函数地址,然后以与简单方法相同的方式调用该地址的函数(即将此指针作为隐式参数传递)。例子:
;pC->A_virt2()
;esi = pC
mov eax, [esi] ;fetch virtual table pointer
mov ecx, esi
call [eax+] ;call second virtual method ;pC->B_virt1()
;edi = pC
lea edi, [esi+] ;adjust this pointer
mov eax, [edi] ;fetch virtual table pointer
mov ecx, edi
call [eax] ;call first virtual method - 构造函数和析构函数
构造函数和析构函数的工作方式类似于一个简单的方法:它们得到一个隐式的this指针作为第一个参数(例如,在thiscall约定的情况下是ecx)。构造函数返回eax中的this指针,即使它在形式上没有返回值。
RTTI实现
RTTI(运行时类型标识)是一种特殊的编译器生成信息,用于支持C++类操作符,如dynamic_cast<> 和 typeid(),也适用于C++异常。由于RTTI的性质,它只需要(并生成)多态类,即具有虚拟函数的类。
MSVC编译器在vftable前面放置一个指向名为“Complete Object Locator”的结构的指针。之所以调用这个结构,是因为它允许编译器从一个特定的vftable指针中找到完整对象的位置(因为一个类可以有几个指针)。COL如下所示:
struct RTTICompleteObjectLocator
{
DWORD signature; //always zero ?
DWORD offset; //offset of this vtable in the complete class
DWORD cdOffset; //constructor displacement offset
struct TypeDescriptor* pTypeDescriptor; //TypeDescriptor of the complete class
struct RTTIClassHierarchyDescriptor* pClassDescriptor; //describes inheritance hierarchy
};
struct RTTIClassHierarchyDescriptor
{
DWORD signature; //always zero?
DWORD attributes; //bit 0 set = multiple inheritance, bit 1 set = virtual inheritance
DWORD numBaseClasses; //number of classes in pBaseClassArray
struct RTTIBaseClassArray* pBaseClassArray;
};
基类数组描述所有基类以及允许编译器在执行“ _dynamic_cast_ operator”转换运算符期间将派生类转换为其中任何一个的信息。每个条目(基类描述符)具有以下结构:
struct RTTIBaseClassDescriptor
{
struct TypeDescriptor* pTypeDescriptor; //type descriptor of the class
DWORD numContainedBases; //number of nested classes following in the Base Class Array
struct PMD where; //pointer-to-member displacement info
DWORD attributes; //flags, usually 0
}; struct PMD
{
int mdisp; //member displacement
int pdisp; //vbtable displacement
int vdisp; //displacement inside vbtable
};
PMD结构描述基类是如何放置在完整类中的。在简单继承的情况下,它位于距对象开头的固定偏移处,该值是“_mdisp_ ”字段。如果它是虚拟基,则需要从vbtable获取额外的偏移量。用于调整从派生类到基类的指针的伪代码如下所示:
//char* pThis; struct PMD pmd;
pThis+=pmd.mdisp;
if (pmd.pdisp!=-)
{
char *vbtable = pThis+pmd.pdisp;
pThis += *(int*)(vbtable+pmd.vdisp);
}
例如,我们三个类的RTTI层次结构如下所示:
更多信息
RTTI
静态和全局初始值器
全局和静态对象需要在主程序启动之前初始化。MSVC通过生成初始化函数并将它们的地址放在表中来实现这一点,该表在CRT启动期间由cinit函数处理。表通常位于.data节的开头。典型的初始值设定项如下所示:
_init_gA1:
mov ecx, offset _gA1
call A::A()
push offset _term_gA1
call _atexit
pop ecx
retn
_term_gA1:
mov ecx, offset _gA1
call A::~A()
retn
因此,从这个表中我们可以发现:
- 全局/静态对象地址
- 构造器
- 析构器
另请参见MSVC _#pragma_ directive _init_seg_ [5]
展开函数
如果在函数中创建了任何自动对象,则VC++编译器自动生成异常处理结构,以确保在发生异常时删除这些对象。
unwind_1tobase: ; state 1 -> -1
lea ecx, [ebp+a1]
jmp A::~A()
通过在函数体中找到相反的状态更改,或者只找到对同一堆栈变量的第一次访问,我们还可以找到构造函数
lea ecx, [ebp+a1]
call A::A()
mov [ebp+__$EHRec$.state],
对于使用new()运算符构造的对象,展开函数确保在构造函数失败时删除已分配的内存:
unwind_0tobase: ; state 0 -> -1
mov eax, [ebp+pA1]
push eax
call operator delete(void *)
pop ecx
retn
在函数体中:
;A* pA1 = new A();
push
call operator new(uint)
add esp,
mov [ebp+pA1], eax
test eax, eax
mov [ebp+__$EHRec$.state], ; state 0: memory allocated but object is not yet constructed
jz short @@new_failed
mov ecx, eax
call A::A()
mov esi, eax
jmp short @@constructed_ok
@@new_failed:
xor esi, esi
@@constructed_ok:
mov [esp+14h+__$EHRec$.state], -
;state -1: either object was constructed successfully or memory allocation failed
;in both cases further memory management is done by the programmer
另一种类型的展开函数用于构造函数和析构函数。它确保在发生异常时销毁类成员。在这种情况下,函数使用保存在堆栈变量中的this指针:
unwind_2to1:
mov ecx, [ebp+_this] ; state 2 -> 1
add ecx, 4Ch
jmp B1::~B1
在这里,functlet在偏移量4Ch处销毁B1类型的类成员。因此,从展开functlet可以发现:
- 表示C++对象的堆栈变量,或指向用“ _operator new_”分配的对象的指针。
- 析构器
- 构造器
- 如果是新的物体,它们的大小
构造函数/析构函数递归
- 调用基类的构造函数。
- 调用复杂类成员的构造函数。
- 如果类具有虚拟函数,则初始化vfptr
- 执行程序员编写的构造函数体。
典型的析构函数几乎以相反的顺序工作:
- 如果类具有虚拟函数,则初始化vfptr
- 执行程序员编写的析构函数体。
- 调用复杂类成员的析构函数
- 调用基类的析构函数
MSVC生成的析构函数的另一个显著特点是,它们的状态变量通常以最大值初始化,然后与每个被析构函数化的子对象一起递减,这使得它们的识别更容易。请注意,简单的构造函数/析构函数通常由MSVC内联。这就是为什么您经常可以看到vftable指针在同一个函数中用不同的指针重复加载。
对象数组的构造/析构
MSVC编译器使用helper函数来构造和销毁对象数组。请考虑以下代码:
A* pA = new A[n];
delete [] pA;
它被转换为以下伪代码:
array = new char(sizeof(A)*n+sizeof(int))
if (array)
{
*(int*)array=n; //store array size in the beginning
'eh vector constructor iterator'(array+sizeof(int),sizeof(A),count,&A::A,&A::~A);
}
pA = array; 'eh vector destructor iterator'(pA,sizeof(A),count,&A::~A);
如果有vftable,则在删除数组时将调用“vector deleting destructor'析构函数”:
;pA->'vector deleting destructor'();
mov ecx, pA
push ; flags: 0x2=deleting an array, 0x1=free the memory
call A::'vector deleting destructor'
如果A的析构函数是虚拟的,则它实际上被调用:
mov ecx, pA
push
mov eax, [ecx] ;fetch vtable pointer
call [eax] ;call deleting destructor
因此,通过向量构造函数/析构函数迭代器调用,我们可以确定:
- 对象数组的地址
- 构造器
- 毁灭者
- 类size
删除析构函数
当类具有虚拟析构函数时,编译器生成一个帮助函数-删除析构函数。其目的是确保在销毁类时调用正确的delete运算符。删除析构函数的伪代码如下所示:
virtual void * A::'scalar deleting destructor'(uint flags)
{
this->~A();
if (flags&) A::operator delete(this);
};
这个函数的地址放在vftable中,而不是析构函数的地址中。这样,如果另一个类重写虚拟析构函数,将调用该类的运算符delete。尽管在实际代码中,delete运算符很少被重写,所以通常会看到对default delete()的调用。有时编译器还可以生成向量删除析构函数。它的代码如下:
virtual void * A::'vector deleting destructor'(uint flags)
{
if (flags&) //destructing a vector
{
array = ((int*)this)-; //array size is stored just before the this pointer
count = array[];
'eh vector destructor iterator'(this,sizeof(A),count,A::~A);
if (flags&) A::operator delete(array);
}
else {
this->~A();
if (flags&) A::operator delete(this);
}
};
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