如何从 C++ vtable 中获取指针？

Question

假设你有一个 C++ 类，例如：

class Foo {
 public:
  virtual ~Foo() {}
  virtual DoSomething() = 0;
};

C++ 编译器将调用转换为 vtable 查找：

Foo* foo;

// Translated by C++ to:
//   foo->vtable->DoSomething(foo);
foo->DoSomething();

假设我正在编写一个 JIT 编译器，并且我想获取 Foo 类的特定实例的 DoSomething() 函数的地址，因此我可以生成直接跳转到它的代码，而不是进行表查找和间接分支。

我的问题是：

1. 是否有任何标准的 C++ 方法可以做到这一点（我几乎可以肯定答案是否定的，但为了完整起见想问一下）。

2. 是否有任何远程独立于编译器的方式来执行此操作，例如有人实现的库，它提供了用于访问 vtable 的 API？

我对黑客完全开放，如果他们能工作的话。例如，如果我创建了自己的派生类并且可以确定它的 DoSomething 方法的地址，我可以假设 vtable 是 Foo 的第一个（隐藏的）成员并搜索它的 vtable 直到找到我的指针值。但是，我不知道获取此地址的方法：如果我写 &DerivedFoo::DoSomething，我会得到一个指向成员的指针，这是完全不同的。

也许我可以将指向成员的指针转换为 vtable 偏移量。当我编译以下内容时：

class Foo {
 public:
  virtual ~Foo() {}
  virtual void DoSomething() = 0;
};

void foo(Foo *f, void (Foo::*member)()) {
  (f->*member)();
}

在 GCC/x86-64 上，我得到这个程序集输出：

Disassembly of section .text:

0000000000000000 <_Z3fooP3FooMS_FvvE>:
   0:   40 f6 c6 01             test   sil,0x1
   4:   48 89 74 24 e8          mov    QWORD PTR [rsp-0x18],rsi
   9:   48 89 54 24 f0          mov    QWORD PTR [rsp-0x10],rdx
   e:   74 10                   je     20 <_Z3fooP3FooMS_FvvE+0x20>
  10:   48 01 d7                add    rdi,rdx
  13:   48 8b 07                mov    rax,QWORD PTR [rdi]
  16:   48 8b 74 30 ff          mov    rsi,QWORD PTR [rax+rsi*1-0x1]
  1b:   ff e6                   jmp    rsi
  1d:   0f 1f 00                nop    DWORD PTR [rax]
  20:   48 01 d7                add    rdi,rdx
  23:   ff e6                   jmp    rsi

我不完全理解这里发生了什么，但如果我可以对此进行逆向工程或使用 ABI 规范，我可以为每个单独的平台生成一个类似上述的片段，作为从虚表。

Answer 1

首先，类类型有一个 vtable。该类型的实例有一个指向 vtable 的指针。 这意味着如果一个类型的 vtable 的内容发生了变化，那么该类型的所有实例都是 做作的。但是特定实例可以更改其 vtable 指针。

没有从实例中检索 vtable 指针的标准方法，因为它依赖于编译器的实现。有关更多详细信息，请参阅此post。 但是，G++ 和 MSVC++ 似乎按照wikipedia 中的描述布局类对象。 类可以有指向多个 vtable 的指针。为了简单起见，我将讨论 只有一个 vtable 指针的类。

要从 vtable 中获取函数的指针，可以这样简单地完成：

int* cVtablePtr = (int*)((int*)c)[0];
void* doSomethingPtr = (void*)cVtablePtr[1];

其中 c 是此类定义的 C 类的实例：

class A
{
public:
    virtual void A1() { cout << "A->A1" << endl; }
    virtual void DoSomething() { cout << "DoSomething" << endl; };
};

class C : public A
{
public:  
    virtual void A1() { cout << "C->A1" << endl; }
    virtual void C1() { cout << "C->C1" << endl; }
};

在这种情况下，C 类只是一个结构，其第一个成员是指向 vtable 的指针。

在 JIT 编译器的情况下，可能会缓存 通过重新生成代码在 vtable 中查找。

起初，JIT 编译器可能会生成：

void* func_ptr = obj_instance[vtable_offest][function_offset];
func_ptr(this, param1, param2)

既然 func_ptr 是已知的，JIT 可以杀死旧代码并且简单地 将该函数地址硬编码到编译后的代码中：

hardcoded_func_ptr(this, param1, param2)

我应该注意的一点是，虽然您可以覆盖实例 vtable 指针，但并不总是可以覆盖 vtable 的内容。例如，在 Windows 上，vtable 被标记为只读内存，但在 OS X 上，它是读/写的。因此，在尝试更改 vtable 内容的 Windows 上，除非您使用 VirtualProtect 更改页面访问权限，否则将导致访问冲突。

Answer 2

我可以想到另外两个解决方案，而不是深入研究 C++ 对象模型。

第一个（也是显而易见的）：通用编程（又名模板）

不要使用基类，重构依赖于基类的方法，以便它们将“策略”作为模板参数。这将完全消除虚拟呼叫。

第二个不太明显的是反转依赖关系。

不是在算法中注入策略，而是在策略中注入算法。这样，您将在开始时进行一次虚拟呼叫，然后它将“正常”进行。模板可以在这里再次提供帮助。

Answer 3

为什么你认为&DerivedFoo::DoSomething 不一样？这不正是你所要求的吗？我的想法是，任何对DerivedFoo::DoSomething() 的调用都会调用相同的函数，传递不同的this 指针。 vtable 仅区分从Foo 派生的不同类型，而不是实例。

Answer 4

这不是一个直接的答案，也不一定是最新的，但它确实包含了很多你在尝试做这样的事情时需要注意的细节和警告：http://www.codeproject.com/KB/cpp/FastDelegate.aspx

不，没有标准的 C++ 方法可以做到这一点。以上内容与您要求的内容相似，但不同。

Answer 5

如果你调用derived->DoSomething()，而DoSomething()在派生类中不是虚拟的，编译器应该已经生成了直接调用。

如果您调用base->DoSomething()，编译器必须以一种或另一种方式检查要调用哪个版本的DoSomething()，并且vtable 与任何方法一样有效。如果您可以保证它始终是基类的实例，那么您一开始就不需要将方法设为虚拟。

在某些情况下，在调用基类中的一组虚拟的非虚拟派生方法之前执行 static_cast 可能是有意义的，但由于 vtable 查找很常见，占到并且相对便宜，所以这绝对属于过早优化的范畴。

模板是另一种标准的 C++ 重用代码而不引起 vtable 查找的方法。