C++虚继承对象内存模型

虚函数表做最重要的内容当然是虚函数指针，大多数C++编译器通过其来实现运行时多态。 子类vtable内容可以被认为是源自扩增和修改后的父类vtable，扩增的目的是存储子类自己的虚函数，而修改的目的将某些虚函数指针被覆盖成了子类实现的虚函数指针以实现运行时多态。

由于C++支持多重继承，而某些父类对应的subobject起始地址和对象整体的起始地址并不相同（例如，C对象的中的B2 subobject区的起始地址就和C对象起始地址大16）。 此时，若通过父类指针来多态地调用子类函数虚函数实现，就必须调整this指针（否则子类实现的虚函数将无法正确使用子类成员数据），而这是通过thunk函数来实现的。 Thunk函数本质上是在原函数执行之前先执行一段其他代码（此处为调整this指针），相当于Lisp中的advice和Java Spring中的切面。

C++ thunk分为non-virtual thunk和virtual thunk，前者为非虚基类subobject对应的thunk（例如，vtable_C + 88为non-virtual thunk to C::f() const），后者为虚基类subobject对应的thunk（例如为vtable_C + 160为virtual thunk to C::f() const）。

VTable中第一个虚函数指针之前的那个指针为type info指针，其被用于实现Run-Time Type Identification (RTTI)。 dynamic_cast()和typeid()函数都是根据type info指针来实现的。

Type info功能本质上和Java的class对象类似，只是其内容没有Java class对象丰富，因此不能以次来实现Java中的运行时反射功能。

dynamic_cast()和typeid()和对应的汇编代码如下：

# C *pc = dynamic_cast<C *>(pa);
        movq    -32(%rbp), %rax  # this ptr
        testq   %rax, %rax
        je      .L25
        movq    $-1, %rcx
        movl    $typeinfo for C, %edx
        movl    $typeinfo for A, %esi
        movq    %rax, %rdi
        call    __dynamic_cast  # https://github.com/gcc-mirror/gcc/blob/releases/gcc-12.2.0/libstdc%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B/dyncast.cc#L44
        jmp     .L26
.L25:
        movl    $0, %eax
.L26:
        movq    %rax, -40(%rbp)


# const std::type_info &type = typeid(*pa);
        movq    -32(%rbp), %rax  # this ptr
        testq   %rax, %rax
        je      .L27
        movq    (%rax), %rax
        movq    -8(%rax), %rax  # vtable[-8], type info ptr for C
        movq    %rax, -48(%rbp)

从汇编代码可以看出，dynamic_cast()和typeid()都是通过vtable中的type info ptr来实现的。

VTable中type info指针之前的8 bits内容为top offset，其主要被用于虚继承时指针向下转型的this指针偏移量计算。 虽然前面展示的​dynamic_cast<C *>(pa)​汇编代码看似仅用到了typeinfo（理论上仅需typeinfo即可判断是否满足继承关系要求），但是将父类指针向下转型到子类指针时所需的this指针偏移量仅当非虚继承时才可以在编译时statically确定。 虚继承时，无法在编译时确定向下转型时所需的this指针偏移量，因为虚基类的偏移时不确定的。 比如，在​VA <- B​和​VA <- B <- C​两种继承关系中，将pVA指针向下转型到pB时所需的this指针偏移量时不同的。 因此，在虚继承时，需要通过top offset来确定向下转型时所需的this指针偏移量，也就是​dynast.cc#__dyncast()​内部应该会消费top offset。

另外，​dynamic_cast<void *>()​这种corner case会直接通过top offset来确定转型为void指针时所需的this指针偏移量，因为void类型没有typeinfo。 ​dynamic_cast<void *>()​对应的汇编代码如下：

# void *pvoid = dynamic_cast<void *>(pa);
        movq    -32(%rbp), %rax  # this ptr
        testq   %rax, %rax
        je      .L29
        jmp     .L34
.L27:
        call    __cxa_bad_typeid
.L34:
        movq    (%rax), %rdx  # vptr
        subq    $16, %rdx
        movq    (%rdx), %rdx  # vtable[-16] = -40, top offset for A, A_in_C subobject相对C对象开始的偏移为-40
        addq    %rdx, %rax  # ptr to C
        jmp     .L30
.L29:
        movl    $0, %eax
.L30:
        movq    %rax, -56(%rbp)

从汇编代码可以看出，​dynamic_cast<void *>()​是通过top offset来实现的。

含虚基类的子类对应的vtable区中type info指针之前的8 bits内容为vbase offset，其被用于在通过子类指针访问虚基类的数据成员时确定虚基类subobject的内存偏移，因此其仅存在于含虚基类的子类对应vtable区中。 虚基类subobject在不同子类中的偏移各不相同，因此无法在编译时根据子类指针静态地确定虚基类数据成员的偏移。 比如，在​VA <- B​和​VA <- B <- C​两种继承关系中，指针​pB1 = new B​和​pB2 = new C​访问VA的数据成员时所需的偏移量是不同的。 此时，需要根据vbase offset动态地计算出虚基类subobject的位置，然后再获得虚基类数据成员的偏移。

例如，​pb2->a = 0​对应的汇编代码如下：

# pb2->a = 0;
movq    -24(%rbp), %rax  # this ptr
movq    (%rax), %rax  # vptr
subq    $24, %rax
movq    (%rax), %rax  # vtable[-24] = 24, vbase offset, B2_in_C subobject相对A_in_C subobject的偏移为24
movq    %rax, %rdx
movq    -24(%rbp), %rax  # this ptr
addq    %rdx, %rax  # ptr to the A_in_C subobject
movq    $0, 8(%rax)  # ptr to A.a

从汇编代码可以看出，​pb2->a = 0​是通过vbase offset来实现的。

虚基类vtable区中type info指针之前的8 bits内容为vcall offset，其被用于在通过虚基类指针访问子类覆盖过的虚函数时确定虚基类subobject相对子类subobject的偏移，因此其仅存在于含虚基类对应vtable区中。 ​VCall offset和vbase offset是姊妹关系，vcall offset被用于访问子类实现的虚函数，而vbase ofset则被用于访问虚基类数据成员。​ 两者的出现根本原因都是编译器无法在编译时根据子类指针静态地确定虚基类数据成员的偏移，因此需要vbase offset来获取虚基类suboject的位置，或者需要根据vcall offset来获取子类subobject的位置。

示例中，A_inC subobject对应的vtable区中有4个虚函数指针有4个，而仅有3项vcall offset。 可能原因为对应于complete object destructor和deleting destructor的最后两个虚函数指针共享一项vcall offset。

VCall offset的汇编代码示例可以见上文中的virtual thunk。