Linux Debugging（四）: 使用GDB来理解C++ 对象的内存布局（多重继承，虚继承）

2014-01-27 3016

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简介：

前一段时间再次拜读《Inside the C++ Object Model》深入探索C++对象模型，有了进一步的理解，因此我也写了四篇博文算是读书笔记：

Program Transformation Semantics （程序转换语义学）

The Semantics of Copy Constructors(拷贝构造函数之编译背后的行为）

The Semantics of Constructors: The Default Constructor （默认构造函数什么时候会被创建出来）

The Semantics of Data: Data语义学深入探索C++对象模型

这些文章都获得了很大的浏览量，虽然类似的博文原来都有，可能不容易被现在仍活跃在CSDN Blog的各位同仁看到吧。因此萌生了接着将这这本书读完的同时，再接着谈一下我的理解，或者说读书笔记。

关于C++虚函数，很多博文从各个角度来探究虚函数是如何实现的，或者说编译器是如何实现虚函数的。比较经典的文章有陈皓先生的《C++虚函数表解析》和《C++对象内存布局》。本文通过GDB来从另外一个角度来理解C++ object的内存布局，一来熟悉语言背后编译器为了实现语言特性为我们做了什么；二来熟悉使用GDB来调试程序。

同时，本文也将对如何更好的理解C++语言提供了一个方法：使用GDB，可以很直观的理解编译器的实现，从根本上掌握C++！我们不单单只会开车，还应该知道车的内部的构造。

2、带有虚函数的单一继承

class Parent
{
public:
  Parent():numInParent(1111)
  {}
  virtual void Foo(){
  };
  virtual void Boo(){
  };
private:
  int numInParent;
};

class Child: public Parent
{
public:
  Child():numInChild(2222){}
  virtual void Foo(){
  }
  int numInChild;
};

编译时不要忘记-g，使得gdb可以把各个地址映射成函数名。

(gdb) set p obj on
(gdb) p *this
$2 = (Child) {<Parent> = {_vptr.Parent = 0x400a30, numInParent = 1111}, numInChild = 2222}
(gdb) set p pretty on
(gdb) p *this
$3 = (Child) {
  <Parent> = {
    _vptr.Parent = 0x400a30,
    numInParent = 1111
  },
  members of Child:
  numInChild = 2222
}
(gdb)  p /a (*(void ***)this)[0]@3
$4 = {0x4008ec <Child::Foo()>, 0x4008b4 <Parent::Boo()>, 0x6010b0 <_ZTVN10__cxxabiv120__si_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>}

解释一下gdb的命令：

set p obj <on/off>: 在C++中，如果一个对象指针指向其派生类，如果打开这个选项，GDB会自动按照虚方法调用的规则显示输出，如果关闭这个选项的话，GDB就不管虚函数表了。这个选项默认是off。使用show print object查看对象选项的设置。

set p pertty <on/off>: 按照层次打印结构体。可以从设置前后看到这个区别。on的确更容易阅读。

p /a (*(void ***)this)[0]@3

就是打印虚函数表了。因为知道是两个，可以仅仅打印2个元素。为了知道下一个存储了什么信息，我们打印了3个值。实际上后几个元素存储了Parent 和Child的typeinfo name和typeinfo。

总结：

对于单一继承，

1. vptr存储到了object的开始。

2. 在vptr之后，从Parent开始的data member按照声明顺序依次存储。

3. 多重继承，包含有相同的父类

对应的C++codes：

class Point2d{
public:
  virtual void Foo(){}
  virtual void Boo(){}
  virtual void non_overwrite(){}
protected:
  float _x, _y;
};

class Vertex: public  Point2d{
public:
  virtual void Foo(){}
  virtual void BooVer(){}
protected:
  Vertex *next;
};

class Point3d: public Point2d{
public:
  virtual void Boo3d(){}
protected:
  float _z;
};

class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
  void test(){}
protected:
  float mumble;
};

使用GDB打印的对象内存布局：

 <Vertex> = {
    <Point2d> = {
      _vptr.Point2d = 0x400ab0,
      _x = 5.88090213e-39,
      _y = 0
    },
    members of Vertex:
    next = 0x0
  },
  <Point3d> = {
    <Point2d> = {
      _vptr.Point2d = 0x400ae0,
      _x = -nan(0x7fe180),
      _y = 4.59163468e-41
    },
    members of Point3d:
    _z = 0
  },
  members of Vertex3d:
  mumble = 0
}

可见v3d有两个vptr，指向不同的vtable。首先看一下第一个：

(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@5
$9 =   {0x4008be <Vertex::Foo()>,
  0x4008aa <Point2d::Boo()>,
  0x4008b4 <Point2d::non_overwrite()>,
  0x4008c8 <Vertex::BooVer()>,
  0xffffffffffffffe8}
(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@6
$10 =   {0x4008be <Vertex::Foo()>,
  0x4008aa <Point2d::Boo()>,
  0x4008b4 <Point2d::non_overwrite()>,
  0x4008c8 <Vertex::BooVer()>,
  0xffffffffffffffe8,
  0x400b00 <_ZTI8Vertex3d>}
(gdb) info addr _ZTI8Vertex3d
Symbol "typeinfo for Vertex3d" is at 0x400b00 in a file compiled without debugging.

你可以注意到了，vtable打印分行了，可以使用 set p array on将打印的数组分行，以逗号结尾。

注意到该虚函数表以

0xffffffffffffffe8

结尾。在单一继承中是没有这个结束标识的。

接着看第二个vtable：

(gdb) p /a (*(void ***)this)[1]@5
$11 =   {0x4008b2 <Point2d::Boo()>,
  0x4008bc <Point2d::non_overwrite()>,
  0x4008d0 <Vertex::BooVer()>,
  0xffffffffffffffe8,
  0x400b00 <_ZTI8Vertex3d>}
(gdb) info addr _ZTI8Vertex3d
Symbol "typeinfo for Vertex3d" is at 0x400b00 in a file compiled without debugging.

当然这个只是为了举个例子。现实中很少有人这么干吧。比如访问Foo，下面的code将会导致歧义性错误：

v3d.Boo();

error: request for member Boo is ambiguous
multiInheritance.cpp:8: error: candidates are: virtual void Point2d::Boo()
只能指定具体的subobject才能进行具体调用：

v3d.::Vertex::Boo();

4. 虚拟继承

C++ codes:

class Point2d{
public:
  virtual void Foo(){}
  virtual void Boo(){}
  virtual void non_overwrite(){}
protected:
  float _x, _y;
};

class Vertex: public virtual  Point2d{
public:
  virtual void Foo(){}
  virtual void BooVer(){}
protected:
  Vertex *next;
};

class Point3d: public virtual Point2d{
public:
  virtual void Boo3d(){}
protected:
  float _z;
};

class Vertex3d: public Vertex, public Point3d{
public:
  void test(){}
protected:
  float mumble;
};

继承关系图：

使用gdb打印object的内存布局：

(gdb) p *this
$10 = (Vertex3d) {
  <Vertex> = {
    <Point2d> = {
      _vptr.Point2d = 0x400b70,
      _x = 0,
      _y = 0
    },
    members of Vertex:
    _vptr.Vertex = 0x400b18,
    next = 0x4009c0
  },
  <Point3d> = {
    members of Point3d:
    _vptr.Point3d = 0x400b40,
    _z = 5.87993804e-39
  },
  members of Vertex3d:
  mumble =  0
}

gdb打印的vptr相关：

(gdb) p /a (*(void ***)this)[0]@60
$25 =   {0x400870 <Vertex::Foo()>,
  0x40087a <Vertex::BooVer()>,
  0x10,
  0xfffffffffffffff0,
  0x400c80 <_ZTI8Vertex3d>, #"typeinfo for Vertex3d"
  0x400884 <Point3d::Boo3d()>,
  0x0,
  0x0,
  0xffffffffffffffe0,
  0xffffffffffffffe0, 
  0x400c80 <_ZTI8Vertex3d>, #"typeinfo for Vertex3d"
  0x400866 <_ZTv0_n24_N6Vertex3FooEv>, #"virtual thunk to Vertex::Foo()"
  0x400852 <Point2d::Boo()>,
  0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
  0x0,
  0x0,
  0x0,
  0x20,
  0x0,
  0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
  0x400870 <Vertex::Foo()>,
  0x40087a <Vertex::BooVer()>,
  0x0,
  0x0,
  0xffffffffffffffe0,
  0xffffffffffffffe0,
  0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
  0x400866 <_ZTv0_n24_N6Vertex3FooEv>, #"virtual thunk to Vertex::Foo()"
  0x400852 <Point2d::Boo()>,
  0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
  0x0,
  0x0,
  0x0,
  0x10,
  0x0,
  0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
  0x400884 <Point3d::Boo3d()>,
  0x0,
  0x0,
  0x0,
  0xfffffffffffffff0,
  0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
  0x400848 <Point2d::Foo()>,
  0x400852 <Point2d::Boo()>,
  0x40085c <Point2d::non_overwrite()>,
  0x6020b0 <_ZTVN10__cxxabiv121__vmi_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>,
  0x400d28 <_ZTS8Vertex3d>,
  0x200000002,
  0x400cc0 <_ZTI6Vertex>, #"typeinfo for Vertex"
  0x2,
  0x400d00 <_ZTI7Point3d>, #"typeinfo for Point3d"
  0x1002,
  0x0,
  0x6020b0 <_ZTVN10__cxxabiv121__vmi_class_type_infoE@@CXXABI_1.3+16>,
  0x400d32 <_ZTS6Vertex>,
  0x100000000,
  0x400d40 <_ZTI7Point2d>,
  0xffffffffffffe803,
  0x0,
  0x0}

有兴趣的话可以看一下反汇编的vtable的构成。

参考：

1. http://stackoverflow.com/questions/6191678/print-c-vtables-using-gdb

2. http://stackoverflow.com/questions/18363899/how-to-display-a-vtable-by-name-using-gdb

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