Грокаем C++ on Telegram: “Современные таблицы виртуальных функций #опытным…”

Современные таблицы виртуальных функций
#опытным

С++ давно ушел от компиляции в С. Но таблицы виртуальных функций, как средство реализации динамического полиморфизма, остались в компиляторах.

Как устроены vtables сейчас, когда С++ напрямую компилируется в ассемблер?

Идея все та же:

👉🏿 На каждый полиморфный класс создается своя vtable

👉🏿 Она представляет собой просто массив адресов. В ассемблере адреса нетипизированные, поэтому они просто лежат там чиселками.

👉🏿 В каждом объекте хранится vptr - указатель на эту таблицу.

👉🏿 vtpr инициализируется в самом базовом классе его адресом его vtable и затем каждый конструктор наследника присваивает в него адрес своей таблицы

Реализации вносят свои особенности, но это ядро остается неизменным.

Вот примерчик(можете смотреть на годболте):

class Person {
protected:
    std::string name;
    int age;
public:
    Person(const std::string &n, int a) : name(n), age(a) {}
    virtual std::string getRole() const { return "Person"; }
    virtual std::string getName() const { return name; }
    virtual void describe() const {
        std::cout << name << " (" << age << " years)";
    }
    virtual ~Person() = default;
};

class Employee : public Person {
    std::string position;
public:
    Employee(const std::string &n, int a, const std::string &pos)
        : Person(n, a), position(pos) {}
    std::string getRole() const override { return "Employee"; }
    void describe() const override {
        std::cout << name << " (" << age << " years) - " << position;
    }
};

int main() {
    Person * p = new Employee("Steven", 42, "CEO");
    p->describe();
    std::cout << p->getName() << std::endl;
}

Будем сейчас разбирать gcc-шный асм.

Вот так выглядят таблицы для обоих классов:

vtable for Person:
.quad 0
.quad typeinfo for Person
.quad Person::getRoleabi:cxx11 const
.quad Person::getNameabi:cxx11 const
.quad Person::describe() const
.quad Person::~Person()

vtable for Employee:
.quad 0
.quad typeinfo for Employee
.quad Employee::getRoleabi:cxx11 const
.quad Person::getNameabi:cxx11 const
.quad Employee::describe() const
.quad Employee::~Employee()

quad - это 64-битное число. Видно, что таблицы - это статические массивы.

Первым числом у них является offset to top, это число нужно для корректной работы множественного наследования, не будем вдаваться в детали.

Второй число - адрес расположения информации о динамическом типе(RTTI) объекта. Эта информация нужна, например, для dynamic_cast'а.

Дальше расположены адреса виртуальных функций нужных классов. Заметьте, что адреса расположены в порядке объявления виртуального метода в классе. Если в дочернем классе переопределяется метод, то в его vtable указатель родительского метода заменяется на переопределенный(методы getRole и describe). Если наследник не переопределяет метод, то в таблице остается указатель на родительский метод(getName).

В конструкторе Employee происходит такое:

; Сначала вызывается конструктор Person (устанавливает vptr Person)
call    Person::Person(...) [base object constructor]

; Затем перезаписывается vptr на таблицу Employee
mov     edx, OFFSET FLAT:vtable for Employee+16
mov     rax, QWORD PTR [rbp-24]
mov     QWORD PTR [rax], rdx

Вызывается конструктор базового класса и сразу же после этого переприсваивается vptr на таблицу класса Employee.

Ну а виртуальный вызов выглядит просто как call нужного адреса:

mov     rax, QWORD PTR [rbp-40]    ; Загружаем указатель p
mov     rax, QWORD PTR [rax]       ; Загружаем vptr (указывает на vtable+16)
add     rax, 16                    ; Смещаемся к 4-му слоту (describe)
mov     rdx, QWORD PTR [rax]       ; Загружаем адрес функции describe
mov     rax, QWORD PTR [rbp-40]    ; Загружаем this (указатель p)
mov     rdi, rax                   ; Передаем this как первый параметр
call    rdx                        ; Виртуальный вызов describe