C++编程揭秘：虚表机制与ABI兼容性的实例剖析

前言：
假设你的应用程序引用的一个库某天更新了，虽然 API 和调用方式基本没变，但你需要重新编译你的应用程序才能使用这个库，那么一般说这个库是源码兼容（Source compatible）；反之，如果不需要重新编译应用程序就能使用新版本的库，那么说这个库跟它之前的版本是二进制兼容的（Binary compatible）。
👉👉👉
而影响ABI兼容中，最重要的部分涉及到虚表机制，这块我们重点来谈下它们之间的关系。

文章目录

      • 虚表生成
      • 子类的虚表
      • C++ 类虚表中函数顺序规则
      • 搞清楚虚表有什么用？
      • 导出DLL注意事项
      • C++ 虚析构函数在虚表中位置说明
      • 更多ABI 相关文章

虚表生成

C++的类只要有一个虚函数，就会生成一张虚表：

class A
{
};

class B
{
public:
	virtual void vfunc1();
}

sizeof(A) = 1	// 空类1个字节用于地址定位
sizeof(B) = 4	// 有虚表指针，占sizeof(void*)字节

子类的虚表

Visual Studio 可以使用自带的命令行工具查看类的内存布局。在 Visual Studio 2022 中是如下工具：

在这里插入图片描述

命令是：cl /d1 reportSingleClassLayout<ClassName> xxx.cpp

例如：cl /d1 reportSingleClassLayoutA demo.cpp 即，在 demo.cpp 中查看 class A 的内存布局。

class A
{
public:
   virtual void vfunc1();
private:
   int a;
};

class B
{
public:
   virtual void vfunc2();
private:
   int b;
};

class C1 : public A
{
public:
   virtual void vfunc3();
private:
   int c;
};

class C2 : public A, public B
{
public:
   virtual void vfunc3();
private:
   int c;
};

class C1 的内存布局是：

class C1        size(12):
        +---
 0      | +--- (base class A)
 0      | | {vfptr}
 4      | | a
        | +---
 8      | c
        +---

C1::$vftable@:
        | &C1_meta
        |  0
 0      | &A::vfunc1
 1      | &C1::vfunc3

class C2 的内存布局是：

class C2        size(20):
        +---
 0      | +--- (base class A)
 0      | | {vfptr}
 4      | | a
        | +---
 8      | +--- (base class B)
 8      | | {vfptr}
12      | | b
        | +---
16      | c
        +---

C2::$vftable@A@:
        | &C2_meta
        |  0
 0      | &A::vfunc1
 1      | &C2::vfunc3

C2::$vftable@B@:
        | -8
 0      | &B::vfunc2

C++ 类虚表中函数顺序规则

  1. 从基类开始，按照申明顺序每遇到一个不是重写的虚函数，就记录在表中
  2. 如果有重载，则提前重载的虚函数
  3. 依次循环遍历子类，如果遇到重写，则替换相应的虚函数

举例：

class A
{
public:
	virtual void vfunc1() = 0;
	virtual void vfunc2() = 0;
	virtual void vfunc1(int x) = 0;
	virtual void vfunc3() = 0;
    void vfunc4();
    void vfunc4(int x);
	virtual void vfunc1(int x, int y) = 0;
};

class B : public A
{
public:
	virtual void vfunc1(int x) = 0;
	virtual void vfunc4() = 0;
    void vfunc5();
	virtual void vfunc2(int x) = 0;
}

请问B的虚表是应该是什么样的？

  1. 遍历A中的虚函数

    void A::vfunc1();

    由于 vfunc1 有两个重载，按照第 2 条规则，依次提前重载函数:

    void A::vfunc1();
void A::vfunc1(int x);
void A::vfunc1(int x, int y);

  2. 继续遍历A中的虚函数

    void A::vfunc1();
void A::vfunc1(int x);
void A::vfunc1(int x, int y);
void A::vfunc2();
void A::vfunc3();

  3. 由于B 重写了 A 的 void vfunc1(int x) 函数，所以将表中对应的函数替换

    void A::vfunc1();
void B::vfunc1(int x);
void A::vfunc1(int x, int y);
void A::vfunc2();
void A::vfunc3();

  4. 添加 B::vfunc4() 到虚表中

    void A::vfunc1();
void B::vfunc1(int x);
void A::vfunc1(int x, int y);
void A::vfunc2();
void A::vfunc3();
void B::vfunc4();

  5. 由于 B::vfunc2(int x) 没有重写A中的函数，按照规则 1 添加到虚表中

    void A::vfunc1();
void B::vfunc1(int x);
void A::vfunc1(int x, int y);
void A::vfunc2();
void A::vfunc3();
void B::vfunc4();
void B::vfunc2(int x);

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

搞清楚虚表有什么用？

答：为了ABI兼容

举例：

某工程师写了这样一个 SDK：

// awesome.h
class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void foo() = 0;
	virtual void bar(int x) = 0;
};

extern "C" {

// 创建SDK实例
IAwesomeSDK *createAwesomeInstance();

// 销毁SDK实例
void destroyAwesomeInstance();

} // extern "C"


// 二次开发用户这样对其进行使用：

// demo.cpp
int main(int argc, char **argv)
{
	IAwesomeSDK *sdk = createAwesomeInstance();
	sdk->foo();
	sdk->bar();
	destroyAwesomeInstance();
	return 0;
}

如果保证新发布的动态库可以兼容之前的程序（集成DLL的程序不需要重新编译，就可以使用新DLL），那么动态库中添加功能需要注意：

  1. 只能在类最后添加新的虚函数

    class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void feature1() = 0;		// 错误
	virtual void foo() = 0;
	virtual void bar(int x) = 0;
};

  2. 添加的新函数不可以与旧函数重名（重载）

    class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void foo() = 0;
	virtual void bar(int x) = 0;
	virtual void bar() = 0;				// 错误
};

  3. 不可以修改旧函数的签名（参数，返回值，限定符等）

    class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void foo(int x = 0) = 0;	// 错误
	virtual void bar(int x) = 0;
};

  4. 不可以重新排序旧函数

    class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void bar(int x) = 0;		// 错误
	virtual void foo() = 0;				// 错误
};

这时你要添加一个新功能，还希望旧程序可以不重新编译替换新DLL，你可以这么做：

class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void foo() = 0;
	virtual void bar(int x) = 0;
	virtual void feature() = 0;			// 正确
};

导出DLL注意事项

  1. 申请和释放内存保持在同一模块。

  2. 最好不要在接口处使用STL库，除非编译器选项一致、STL实现一致、系统平台一致。

class IAwesomeSDK
{
public:
	virtual void foo() = 0;
	virtual void bar(int x) = 0;
	virtual std::string feature() = 0;			// 错误，模块内申请，模块外释放
};

C++ 虚析构函数在虚表中位置说明

先说结论：如果类中含有虚析构函数，其受约束和普通虚函数一致：

  1. 从基类开始，按照申明顺序每遇到一个不是重写的虚函数，就记录在表中
  2. 如果有重载，则提前重载的虚函数
  3. 依次循环遍历子类，如果遇到重写，则替换相应的虚函数

数据测试如下：（环境：Visual Studio 2022，默认配置）

  • 测试项1：没有虚析构函数时，虚表中的排布情况如下图：
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

  • 测试项2：虚析构函数位于类首时：
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

  • 测试项3：虚析构函数位于有重载的虚函数前面时：
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

  • 测试项4：虚析构函数位于非重载的虚函数前面时：
    在这里插入图片描述

    在这里插入图片描述

更多ABI 相关文章

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