C++編程揭秘：虛表機制與ABI兼容性的實例剖析

前言：
假設你的應用程序引用的一個庫某天更新了，雖然 API 和調用方式基本沒變，但你需要重新編譯你的應用程序才能使用這個庫，那么一般說這個庫是源碼兼容（Source compatible）；反之，如果不需要重新編譯應用程序就能使用新版本的庫，那么說這個庫跟它之前的版本是二進制兼容的（Binary compatible）。
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而影響ABI兼容中，最重要的部分涉及到虛表機制，這塊我們重點來談下它們之間的關系。

文章目錄

- - 虛表生成
  - 子類的虛表
  - C++ 類虛表中函數順序規則
  - 搞清楚虛表有什么用？
  - 導出DLL注意事項
  - C++ 虛析構函數在虛表中位置說明
  - 更多ABI 相關文章

虛表生成

C++的類只要有一個虛函數，就會生成一張虛表：

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

sizeof(A) = 1	// 空類1個字節用于地址定位
sizeof(B) = 4	// 有虛表指針，占sizeof(void*)字節

子類的虛表

Visual Studio 可以使用自帶的命令行工具查看類的內存布局。在 Visual Studio 2022 中是如下工具：

在這里插入圖片描述

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 的內存布局。

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 的內存布局是：

class C1        size(12):+---0      | +--- (base class A)0      | | {vfptr}4      | | a| +---8      | c+---C1::$vftable@:| &C1_meta|  00      | &A::vfunc11      | &C1::vfunc3

class C2 的內存布局是：

class C2        size(20):+---0      | +--- (base class A)0      | | {vfptr}4      | | a| +---8      | +--- (base class B)8      | | {vfptr}
12      | | b| +---
16      | c+---C2::$vftable@A@:| &C2_meta|  00      | &A::vfunc11      | &C2::vfunc3C2::$vftable@B@:| -80      | &B::vfunc2

C++ 類虛表中函數順序規則

從基類開始，按照申明順序每遇到一個不是重寫的虛函數，就記錄在表中
如果有重載，則提前重載的虛函數
依次循環遍歷子類，如果遇到重寫，則替換相應的虛函數

舉例：

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;
}

請問B的虛表是應該是什么樣的？

遍歷A中的虛函數

void A::vfunc1();

由于 vfunc1 有兩個重載，按照第 2 條規則，依次提前重載函數:

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

繼續遍歷A中的虛函數

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

由于B 重寫了 A 的 void vfunc1(int x) 函數，所以將表中對應的函數替換

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

添加 B::vfunc4() 到虛表中

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

由于 B::vfunc2(int x) 沒有重寫A中的函數，按照規則 1 添加到虛表中

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);

在這里插入圖片描述

搞清楚虛表有什么用？

答：為了ABI兼容

舉例：

某工程師寫了這樣一個 SDK：

// awesome.h
class IAwesomeSDK
{
public:virtual void foo() = 0;virtual void bar(int x) = 0;
};extern "C" {// 創建SDK實例
IAwesomeSDK *createAwesomeInstance();// 銷毀SDK實例
void destroyAwesomeInstance();} // extern "C"// 二次開發用戶這樣對其進行使用：// demo.cpp
int main(int argc, char **argv)
{IAwesomeSDK *sdk = createAwesomeInstance();sdk->foo();sdk->bar();destroyAwesomeInstance();return 0;
}

如果保證新發布的動態庫可以兼容之前的程序（集成DLL的程序不需要重新編譯，就可以使用新DLL），那么動態庫中添加功能需要注意：

只能在類最后添加新的虛函數

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

添加的新函數不可以與舊函數重名（重載）

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

不可以修改舊函數的簽名（參數，返回值，限定符等）

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

不可以重新排序舊函數

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

這時你要添加一個新功能，還希望舊程序可以不重新編譯替換新DLL，你可以這么做：

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

導出DLL注意事項

申請和釋放內存保持在同一模塊。
最好不要在接口處使用STL庫，除非編譯器選項一致、STL實現一致、系統平臺一致。

class IAwesomeSDK
{
public:virtual void foo() = 0;virtual void bar(int x) = 0;virtual std::string feature() = 0;			// 錯誤，模塊內申請，模塊外釋放
};

C++ 虛析構函數在虛表中位置說明

先說結論：如果類中含有虛析構函數，其受約束和普通虛函數一致：

從基類開始，按照申明順序每遇到一個不是重寫的虛函數，就記錄在表中
如果有重載，則提前重載的虛函數
依次循環遍歷子類，如果遇到重寫，則替換相應的虛函數

數據測試如下：（環境：Visual Studio 2022，默認配置）

測試項1：沒有虛析構函數時，虛表中的排布情況如下圖：
測試項2：虛析構函數位于類首時：
測試項3：虛析構函數位于有重載的虛函數前面時：
測試項4：虛析構函數位于非重載的虛函數前面時：