c++ - vtables 和 this 指针

Question

我试图了解更多关于 vtables 和 vpointers 的内部工作原理，所以我决定尝试使用一些技巧直接访问 vtable。我创建了两个类，Base 和 Derv，每个类都有两个 virtual 函数(Derv 覆盖那些 基础).

class Base
{
    int x;
    int y;

    public:
        Base(int x_, int y_) : x(x_), y(y_) {}

        virtual void foo() { cout << "Base::foo(): x = " << x << '\n'; }    
        virtual void bar() { cout << "Base::bar(): y = " << y << '\n'; }
};

class Derv: public Base
{
    int x;
    int y;

    public:
        Derv(int x_, int y_) : Base(x_, y_), x(x_), y(y_) {}

        virtual void foo() { cout << "Derived::foo(): x = " << x << '\n'; }
        virtual void bar() { cout << "Derived::bar(): y = " << y << '\n'; }
};

现在，编译器为每个类添加一个 vtable 指针，占用内存中的前 4 个字节(32 位)。我通过将对象的地址转换为 size_t* 来访问此指针，因为该指针指向另一个大小为 sizeof(size_t) 的指针。现在可以通过索引 vpointer 并将结果转换为适当类型的函数指针来访问虚函数。我将这些步骤封装在一个函数中:

template <typename T>
void call(T *ptr, size_t num)
{
    typedef void (*FunPtr)();

    size_t *vptr = *reinterpret_cast<size_t**>(ptr);
    FunPtr fun = reinterpret_cast<FunPtr>(vptr[num]);

    //setThisPtr(ptr);      added later, see below!
    fun();
}

当以这种方式调用其中一个成员函数时，例如call(new Base(1, 2), 0) 调用 Base::foo()，很难预测会发生什么，因为调用时没有 this-指针。我通过添加一个小的模板化函数解决了这个问题，知道 g++ 将 this 指针存储在 ecx 寄存器中(但是这迫使我使用 -m32 进行编译 编译器标志):

template <typename T>
void setThisPtr(T *ptr)
{  
    asm ( mov %0, %%ecx;" :: "r" (ptr) );
}

取消注释上面代码段中的 setThisPtr(ptr) 行现在使其成为一个工作程序:

int main()
{
    Base* base = new Base(1, 2);
    Base* derv =  new Derv(3, 4);

    call(base, 0); // "Base::foo(): x = 1" 
    call(base, 1); // "Base::bar(): y = 2"
    call(derv, 0); // "Derv::foo(): x = 3"
    call(derv, 1); // "Derv::bar(): y = 4"
}

我决定分享这个，因为在编写这个小程序的过程中，我对 vtables 的工作原理有了更多的了解，这可能会帮助其他人更好地理解这些 Material 。但是我还有一些问题:
1. 在编译 64 位二进制文​​件时，使用哪个寄存器 (gcc 4.x) 来存储 this 指针？我尝试了此处记录的所有 64 位寄存器:http://developers.sun.com/solaris/articles/asmregs.html
2. 何时/如何设置this-pointer？我怀疑编译器在通过一个对象进行的每个函数调用上都设置了 this 指针，其方式与我刚才的做法类似。这是多态性实际工作的方式吗？ (首先设置 this 指针，然后从 vtable 调用虚函数？)。

Answer 1

在 Linux x86_64 和我相信其他类 UNIX 操作系统上，函数调用遵循 System V ABI (AMD64) , 它本身遵循 IA-64 C++ ABI对于 C++。根据方法的类型，this 指针通过第一个参数或第二个参数隐式传递(当返回值具有非平凡的复制构造函数或析构函数时，它必须作为临时堆栈存在，并且第一个参数是隐式指向该空间的指针)；否则，虚方法调用与 C 中的函数调用相同(%rdi、%rsi、%rdx、%rcx，%r8，%r9，溢出入栈；整数/指针在%rax中返回；在中 float code>%xmm0-%xmm7; 等)。虚拟方法调度通过在 vtable 中查找指针然后像调用非虚拟方法一样调用它来工作。

我不太熟悉 Windows x64 约定，但我相信它的相似之处在于 C++ 方法调用遵循与 C 函数调用完全相同的结构(使用与 Linux 不同的寄存器)，只是带有隐式 this 参数在前。