C/C++杂记：深入理解数据成员指针函数成员指针

Posted 2020-07-23 Malecrab

1. 数据成员指针

对于普通指针变量来说，其值是它所指向的地址，0表示空指针。
而对于数据成员指针变量来说，其值是数据成员所在地址相对于对象起始地址的偏移值，空指针用-1表示。例：

代码示例：

struct X {
    int a;
    int b;
};
#define VALUE_OF_PTR(p)     (*(long*)&p)
int main() {
    int X::*p = 0;  // VALUE_OF_PTR(p) == -1
    p = &X::a;      // VALUE_OF_PTR(p) == 0
    p = &X::b;      // VALUE_OF_PTR(p) == 4
    return 0;
}

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2. 函数成员指针

函数成员指针与普通函数指针相比，其size为普通函数指针的两倍（x64下为16字节），分为：ptr和adj两部分。

(1) 非虚函数成员指针

ptr部分内容为函数指针（指向一个全局函数，该函数的第一个参数为this指针），adj部分始终为0。例：

代码示例：

extern "C" int printf(const char*, ...);

struct B {
    void foo() {  printf("B::foo(): this = 0x%p\\n", this); }
};
struct D : public B {
    void bar() { printf("D::bar(): this = 0x%p\\n", this); }
};
void (B::*pbfoo)() = &B::foo; // ptr: points to _ZN1B3fooEv, adj: 0
void (D::*pdfoo)() = &D::foo; // ptr: points to _ZN1B3fooEv, adj: 0
void (D::*pdbar)() = &D::bar; // ptr: points to _ZN1D3barEv, adj: 0

extern "C" void _ZN1B3fooEv(B*);
extern "C" void _ZN1D3barEv(D*);
#define PART1_OF_PTR(p)     (((long*)&p)[0])
#define PART2_OF_PTR(p)     (((long*)&p)[1])

int main() {
    printf("&B::foo->ptr: 0x%lX\\n", PART1_OF_PTR(pbfoo));
    printf("&B::foo->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pbfoo));    // 0
    printf("&D::foo->ptr: 0x%lX\\n", PART1_OF_PTR(pdfoo));
    printf("&D::foo->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pdfoo));    // 0
    printf("&D::bar->ptr: 0x%lX\\n", PART1_OF_PTR(pdbar));
    printf("&D::bar->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pdbar));    // 0

    D* d = new D();
    d->foo();
    _ZN1B3fooEv(d); // equal to d->foo()
    d->bar();
    _ZN1D3barEv(d); // equal to d->bar()
    return 0;
}

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(2) 虚函数成员指针

ptr部分内容为虚函数对应的函数指针在虚函数表中的偏移地址加1（之所以加1是为了用0表示空指针），而adj部分为调节this指针的偏移字节数。例：

说明：

• A和B都没有基类，但是都有虚函数，因此各有一个虚函数指针（假设为vptr）。
• C同时继承了A和B，因此会继承两个虚函数指针，但是为了节省空间，C会与主基类A公用一个虚函数指针（即上图中vptr1），继承自B的虚函数指针假设为vptr2。
• C没有重写继承自A和B的虚函数，因此在C的虚函数表中存在A::foo和B::bar函数指针（如果C中重写了foo()，则C的虚函数表中A::foo会被替换为C::foo）。
• C中有两个虚函数指针vptr1和vptr2，相当于有两张虚函数表。
• A::foo（C::foo）、B::Bar（C::bar）都在虚函数表中偏移地址为0的位置，因此ptr为1（0+1=1）。而C::quz在偏移为8的位置，因此ptr为9（8+1=9）。
• 当我们使用pc调用C::bar()时，如：“(pc->*pcbar)()”，实际上调用的是B::bar()（即_ZN1B3barEv(pc)），pc需要被转换为B*类型指针，因此需要对this指针进行调节（调节至pb指向的地址），因此adj为8。

代码示例：

extern "C" int printf(const char*, ...);

struct A {
    virtual void foo() { printf("A::foo(): this = 0x%p\\n", this); }
};
struct B {
    virtual void bar() { printf("B::bar(): this = 0x%p\\n", this); }
};
struct C : public A, public B {
    virtual void quz() { printf("C::quz(): this = 0x%p\\n", this); }
};

void (A::*pafoo)() = &A::foo;   // ptr: 1, adj: 0
void (B::*pbbar)() = &B::bar;   // ptr: 1, adj: 0
void (C::*pcfoo)() = &C::foo;   // ptr: 1, adj: 0
void (C::*pcquz)() = &C::quz;   // ptr: 9, adj: 0
void (C::*pcbar)() = &C::bar;   // ptr: 1, adj: 8

#define PART1_OF_PTR(p)     (((long*)&p)[0])
#define PART2_OF_PTR(p)     (((long*)&p)[1])
int main() {
    printf("&A::foo->ptr: 0x%lX, ", PART1_OF_PTR(pafoo));   // 1
    printf("&A::foo->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pafoo));   // 0
    printf("&B::bar->ptr: 0x%lX, ", PART1_OF_PTR(pbbar));   // 1
    printf("&B::bar->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pbbar));   // 0
    printf("&C::foo->ptr: 0x%lX, ", PART1_OF_PTR(pcfoo));   // 1
    printf("&C::foo->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pcfoo));   // 0
    printf("&C::quz->ptr: 0x%lX, ", PART1_OF_PTR(pcquz));   // 9
    printf("&C::quz->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pcquz));   // 0
    printf("&C::bar->ptr: 0x%lX, ", PART1_OF_PTR(pcbar));   // 1
    printf("&C::bar->adj: 0x%lX\\n", PART2_OF_PTR(pcbar));   // 8
    return 0;
}

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参考：

C++ ABI for Itanium: 2.3 Member Pointers