熟悉的陌生人-this指针(1)

this指针想必每个C++程序员都是再熟悉不过的了,我们每天的编程工作都会用到它,我们以为它是最忠实的朋友,不会给我们惹麻烦,但其实它可能不是你想象的样子!

this指针的偏移 – 某次强制转化引发的血案

这是一个真实的案例,发生在12年6月份,让我用简单的例子还原一下现场。假设有一组派生关系的类CBrid继承于CAnimal,我们构造一个CBrid对象并赋值到CAnimal指针,然后由于某些原因需要把这个基类CAnimal指针强制转化成void*(真实情况是Windows下的LPARAM),然后再强制转化回CBrid指针:

例1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
class CAnimal
{
public:
CAnimal(){}
~CAnimal(){}
protected:
string m_strName;    
};

class CBird: public CAnimal
{
public:
CBird(): m_bCanFly(true)
{
m_strName = "Bird";
}
~CBird(){}
virtual void Fly()
{
cout<<"type: "<<m_strName<<std::endl;
cout<<"is fly: "<<m_bCanFly<<std::endl;
}
protected:
bool m_bCanFly;
};

//主函数
int main()
{
 CAnimal* pAnimal = new CBird;
 void* pCmd = (void*)pAnimal;
 //一些操作
 CBird* pBird = (CBird*)pCmd;
 if (pBird != nullptr)
 {
   pBird->Fly();
 }
}

上面代码36行,pBrid要飞,但没飞起来,在我的开发环境下,程序挂在了这一行。那天是一个刚毕业很聪明的小伙子发现的这个问题,他还尝试过这样调用:

例2
1
2
3
4
5
6
7
CAnimal* pAnimal = new CMammal;
CBird* pBird = (CBird*)pAnimal;

if (pBird != nullptr)
{
  pBird->Fly();
}

这样调用确是没有问题的,和第一个例子唯一的差别就是没有中间的Void*转化。 记得当时是我们周会的时间,于是拿出来和大家讨论,惭愧的是我们十几个人,竟然没人能说出其中原因,要知道我们中也有三个工作5年左右的同事。后来我打开调试器,跟踪了一下这两段代码的汇编代码,终于发现了蛛丝马迹:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
CBird* pBird = (CBird*)pAnimal;
cmp         dword ptr [pAnimal],0
je          main+1C1h (33F681h)
mov         eax,dword ptr [pAnimal]
sub         eax,4
mov         dword ptr [ebp-178h],eax
jmp         main+1CBh (33F68Bh)
mov         dword ptr [ebp-178h],0
mov         ecx,dword ptr [ebp-178h]
mov         dword ptr [pBird],ecx

猫腻就在第5行,编译器先取基类指针pAnimal的值然后减了4,赋值给了派生类指针pBird,看到这里我才隐隐约约感觉是虚表的问题,CBird有一个虚函数,而基类CAnimal没有。当时我还没看《深度探索C++对象模型》,相信看过这本书的人一眼就能看出端倪,接着我验证一下我的猜想:

例3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
lass CAnimal
{
public:
CAnimal(){}
~CAnimal(){}
protected:
string m_strName;    
};


class CMammal: public CAnimal
{
public:
CMammal()
{
m_strName = "Mammal";
}
void IsEatMeat() const
{
cout<<"type: "<<m_strName<<std::endl;
cout<<"is eat meat: "<<std::boolalpha<<m_bEatMeat<<std::endl;
}
private:
bool m_bEatMeat;
};

int main()
{
 CAnimal* pAnimal = new CMammal;
 void* pCmd = (void*)pAnimal;
 CMammal* pMammal = (CMammal*)pCmd;

 if (pMammal != nullptr)
 {
  pMammal->IsEatMeat();
 }
}

上面的代码运行正常,和例1的区别就是CMamal没有虚函数,而CBrid有。所以说,沿着继承链类型转化时,this指针可能会发生偏移,以确保this指针总能指向subobject。而强转中如果中间有void*这种没有类型信息的东西,会使编译器丢失这种偏移。

this指针说白了就是对象基址,角色是成员变量寻址基址,偏移的目的是为了使成员变量寻址正确,影响对像内存布局的东西都可能使this指针偏移(具体编译器可能不同):

  1. 虚表,子类有而派生类没有
  2. 多重继承,子类与第n(n>1)个派生类
  3. 虚继承

待续:this指针的偏移策略