C++与汇编小结
来源:互联网 发布:经传软件旗舰版 编辑:程序博客网 时间:2024/05/18 13:26
C++与汇编小结
本文通过C++反编译,帮助理解C++中的一些概念(指针引用、this指针、虚函数、析构函数、lambda表达式),
希望能在深入理解C++其它一些高级特性(多重继承、RTTI、异常处理)能起到抛砖引玉的作用吧。
指针和引用
引用类型的存储方式和指针是一样的,都是使用内存空间存放地址值。
只是引用类型是通过编译器实现寻址,而指针需要手动寻址。
void funRef(int &ref){ ref++;}int main(){ //定义int类型变量 int var = 0x41; //int指针变量,初始化为变量var的地址 int *pnVar = &var; //取出指针pcVar指向的地址内容并显示 char *pcVar = (char*)&var; printf("%s",pcVar); //引用作为参数,即把var的地址作为参数 funRef(var); return 0;}
用godbolt查看的效果如图,C++代码与对应的汇编代码用相同的颜色标注,非常方便查看。
switch
在分支数少的情况下可以用if–else if模拟,
但是分支比较大的情况下,需要比较的次数太多,
如果是有序线性的数值,可将每个case语句块的地址预先保存在数组中,
考察switch语句的参数,并依次查询case语句块地址的数组,
从而得到对应case语句块的首地址,
这样可以降低比较的次数,提升效率。
int main(){ int nIdx=1; scanf("%d",&nIdx); int result = 0; switch(nIdx){ case 1: result = 1; break; case 2: result = 2; break; case 3: result = 3; break; case 5: result = 3; break; case 7: result = 3; break; } return result;}
如下图,编译器把switch跳转表放到了.L4所指向的区域,其中的元素.L2、.L3 … .L8指向case对应代码地址。
this指针
this指针中保存了所属对象的首地址。
在调用成员函数的过程中,编译器利用rdi寄存器保存了对象的首地址,
并以寄存器传参的方式传递到成员函数中。
#include <stdio.h>class Location{public: Location(){ //this指针指向一块16字节的内存区域 m_x = 1; //m_x是一个8字节类型,所以mov一个4字 //mov DWORD PTR [rax], 1 m_y = 2; //mov WORD PTR [rax+4], 2 } short getY(){ //获取this指针(对象首地址)偏移4处的数据,即m_y的值 //movzx eax, WORD PTR [rbp-8+4] return m_y; }private: int m_x; //占4字节 short m_y; //占2字节 //由于内存对齐,整个对象占8字节};int main(){ //在栈上分配16字节,其中有8字节分配给是loc //把栈上loc的内存地址(即this指针)作为参数调用Location构造函数。 Location loc; //把栈上loc的内存地址(即this指针)作为参数调用getY成员函数。 short y = loc.getY(); //y变量位于[rbp-2]处 //mov WORD PTR [rbp-2], ax return 0;}
对应的汇编如下:
虚函数和虚表
编译器会为每一个包含虚函数的类(或通过继承得到的子类)生成一个表,其中包含指向类中每一个虚函数的指针。
这样的表就叫做虚表(vtable)。
此外,每个包含虚函数的类都获得另外一个数据成员,用于在运行时指向适当的虚表。
这个成员通常叫做虚表指针(vtable pointer),并且是类中的第一个数据成员。
在运行时创建对象时,对象的虚表指针将设置为指向合适的虚表。
如果该对象调用一个虚函数,则通过在该对象的虚表中进行查询来选择正确的函数。
代码举例如下,详细代码在这里。
class BaseClass {public: BaseClass(){x=1;y=2;}; virtual void vfunc1() = 0; virtual void vfunc2(){}; virtual void vfunc3(); virtual void vfunc4(){}; void hello(){printf("hello,y=%d",this->y);};private: int x;//4字节 int y;};class SubClass : public BaseClass {public: SubClass(){z=3;}; virtual void vfunc1(){}; virtual void vfunc3(); virtual void vfunc5(){};private: int z;};
虚表布局
下图是一个简化后的内存布局,它动态分配了一个SubClass类型的对象,编译器会确保该对象的第一个字段虚表指针指向正确的虚表。虚表指向编译器为每个类在只读段创建的一块区域,即虚表,类似于数组,其中的大部分元素指向在代码段中的成员函数地址。C++编译器会在编译阶段给这些函数名做name mangling,以实现c++中函数重载、namespace等标准。
vtable for SubClass: .quad 0 .quad typeinfo for SubClass ;RTTI相关 .quad SubClass::vfunc1() ;this指针中的虚表指针一般指向这个偏移处 .quad BaseClass::vfunc2() .quad SubClass::vfunc3() .quad BaseClass::vfunc4() .quad SubClass::vfunc5()vtable for BaseClass: .quad 0 .quad typeinfo for BaseClass ;RTTI相关 .quad __cxa_pure_virtual ;vfunc1是纯虚函数 .quad BaseClass::vfunc2() .quad BaseClass::vfunc3() .quad BaseClass::vfunc4()
SubClass 中包含两个指向属于BaseClass的函数( BaseClass::vfunc2 和 BaseClass::vfunc4)的指针。
这是因为 SubClass 并没有重写这2个函数,而是直接继承自BaseClass 。
由于没有针对纯虚函数BaseClass::vfunc1的实现,因此,在 BaseClass的虚表中并没有存储 vfunc1 的地址。
这时,编译器会插入一个错误处理函数的地址,名为 purecall,万一被调用,它会令程序终止或者其他编译器想要发生的行为。
另外,一般的成员函数不在虚表里面,因为不涉及动态调用,如BaseClass中的hello()函数。
创建对象
这里已在堆上动态创建对象为例。
调用new操作符,在堆上动态分配一块SubClass大小的内存,rax指向这块内存的开始。
SubClass需要的内存大小为24字节=8(虚表指针)+4*3(3个int类型的成员变量)+4(内存对齐)
对象首地址的值作为参数调用SubClass构造函数。
BaseClass *a_ptr = new SubClass();
main: ;... mov edi, 24 ;SubClass需要24字节的内存 call operator new(unsigned long) mov rbx, rax mov rdi, rbx ;this指针作为参数 call SubClass::SubClass()
SubClass的构造函数,在完成自身的任务之前会调用基类的构造函数,然后对this指针的内存的虚表指针修改为指向SubClass自身的虚表。
SubClass::SubClass(): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov rdi, rax ;this指针 call BaseClass::BaseClass() mov edx, OFFSET FLAT:vtable for SubClass+16 ;指向SubClass虚表 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov QWORD PTR [rax], rdx ;this指针的虚表指针字段赋值 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov DWORD PTR [rax+16], 3 ;z=3 nop leave ret
BaseClass的构造函数:
BaseClass::BaseClass(): push rbp mov rbp, rsp mov QWORD PTR [rbp-8], rdi ;this指针 mov edx, OFFSET FLAT:vtable for BaseClass+16 ;指向BaseClass虚表 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov QWORD PTR [rax], rdx ;this指针的虚表指针字段赋值 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov DWORD PTR [rax+8], 1 ;x=1 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov DWORD PTR [rax+12], 2 ;y=2 nop pop rbp ret
调用成员函数
1、非虚函数
hello()是类BaseClass中的非虚成员函数,不需要通过虚表查找,编译器直接生成调用语句call BaseClass::hello()
,并且第一个参数默认为this指针。
BaseClass *a_ptr = new SubClass(); //一般的成员函数,不在虚表里 a_ptr->hello();
main: ;... mov rdi, rax ;参数:this指针 call BaseClass::hello().LC0: .string "hello\357\274\214y=%d"BaseClass::hello(): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi ;this指针放到栈上 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov eax, DWORD PTR [rax+12] ;this指针偏移12处,即成员变量y的位置 mov esi, eax ;参数:format的数据,即y的值 mov edi, OFFSET FLAT:.LC0 ;参数:format string mov eax, 0 ;参数:fd,指向stdout call printf nop leave ret
2、虚函数
a_ptr是BaseClass类型的指针,动态分配的是SubClass类型的内存。
call_vfunc函数的参数是基类BaseClass,再调用vfunc3函数时需要先根据虚表指针定位到虚表,再通过偏移,解引用找到vfunc3的代码段地址,完成调用。
int main(){ BaseClass *a_ptr = new SubClass(); //对象首地址作为参数调用函数call_vfunc call_vfunc(a_ptr);}void call_vfunc(BaseClass *a) { a->vfunc3();}
main: ;... mov rax, QWORD PTR [rbp-24] mov rdi, rax ;rax为this指针 call call_vfunc(BaseClass*)call_vfunc(BaseClass*): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi ;把this指针放到栈上 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov rax, QWORD PTR [rax] ;this指向的内存的开头8个字节的数据复制给rax,即虚表指针 add rax, 16 ;找到虚表指针偏移16 mov rax, QWORD PTR [rax] ;虚表指针偏移16处解引用,得到函数的SubClass::vfunc3的地址 mov rdx, QWORD PTR [rbp-8] mov rdi, rdx ;rdi为this指针,作为参数 call rax ;调用vfunc3 nop leave ret
析构函数
这里以堆分配的对象析构为例,完整代码在这里。
堆分配的对象的析构函数在分配给对象的内存释放之前通过 delete 操作符调用。
其过程如下:
1、如果类拥有任何虚函数,则还原对象的虚表指针,使其指向相关类的虚表。如果一个子类在创建过程中覆盖了虚表指针,就需要这样做。
2、执行程序员为析构函数指定的代码。
3、如果类拥有本身就是对象的数据成员,则执行这些成员的析构函数。
4、如果对象拥有一个超类,则调用超类的析构函数
5、如果是释放堆的对象,则用一个代理析构函数执行1~4步骤,并在最后调用delete操作符释放堆上的对象。
class BaseClass {public: BaseClass(){x=1;y=2;}; virtual ~BaseClass(){printf("~BaseClass()\n");}; virtual void vfunc1() = 0;private: int x;//4字节 int y;};class SubClass : public BaseClass {public: SubClass(){z=3;}; virtual ~SubClass(){printf("~SubClass()\n");}; virtual void vfunc1(){};private: int z;};int main() { BaseClass *a_ptr = new SubClass(); //触发析构 delete a_ptr; }
;只读段中的虚表结构vtable for SubClass: .quad 0 .quad typeinfo for SubClass .quad SubClass::'scalar deleting destructor' ;代理析构函数的地址 .quad SubClass::~SubClass() ;析构函数的地址,这里godbolt没有把它们区分出来 .quad SubClass::vfunc1()main: mov QWORD PTR [rbp-24], rbx ;rbx为a_ptr的指针 cmp QWORD PTR [rbp-24], 0 ;判断a_ptr是否为null,这是编译器加的。 je .L9 ;如果为null直接跳过析构 mov rax, QWORD PTR [rbp-24] mov rax, QWORD PTR [rax] add rax, 8 ;this指针偏移8处,即指向代理析构函数 mov rax, QWORD PTR [rax] ;rax为代理析构函数的地址 mov rdx, QWORD PTR [rbp-24] mov rdi, rdx ;参数:this指针 call rax ;调用代理析构函数;SubClass的代理析构函数SubClass::'scalar deleting destructor': push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov rdi, rax ;参数:this指针 call SubClass::~SubClass() ;调用析构函数 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov esi, 24 ;参数:释放24字节大小的堆空间 mov rdi, rax ;参数:堆空间的首地址 call operator delete(void*, unsigned long) ;释放堆空间 leave ret .LC1: .string "~SubClass()" ;SubClass的析构函数,执行析构函数中的代码SubClass::~SubClass(): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi mov edx, OFFSET FLAT:vtable for SubClass+16 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov QWORD PTR [rax], rdx ;还原对象的虚表指针,使其指向相关类的虚表 mov edi, OFFSET FLAT:.LC1 call puts ;调用puts函数,这里编译器把printf调用转换成puts了。 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov rdi, rax ;参数:this指针 call BaseClass::~BaseClass() ;调用基类的析构函数 nop leave ret.LC0: .string "~BaseClass()";BaseClass的析构函数,执行析构函数中的代码 BaseClass::~BaseClass(): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov QWORD PTR [rbp-8], rdi mov edx, OFFSET FLAT:vtable for BaseClass+16 mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov QWORD PTR [rax], rdx mov edi, OFFSET FLAT:.LC0 call puts nop leave ret
通过分析C++析构函数的调用过程,我们就知道了为什么C++基类的析构函数要声明为virtual了。我们希望当调用C++基类BaseClass的析构函数时能够触发动态绑定,能够找到当前对象所属类的虚函数表中的析构函数。
如果不声明BaseClass的析构函数为virtual,那么在调用delete a_ptr
时,将只会释放BaseClass大小的内存,给SubClass中成员变量分配的内存将得不到释放,从而导致内存泄漏。
C++11中的Lambda表达式
lambda表达式表示一个可调用的代码单元。可以理解为一个未命名的内联函数。
lambda表达式具有如下形式:
[capture list](parameter list) -> return type {function body}
下面定义了一个C++函数,其中有一个lambda表达式。v1之前的&符号指出v1是以引用方式捕获,当lambda返回v1时,它返回的是v1指向对象的值,所以j的值是0,而不是42.
void fcn1(){ int v1 =42; auto f= [&v1] {return v1;}; v1 = 0; auto j = f();}
对应的反汇编代码如下,可以看到编译器为fcn1中的lambda表达式在代码段中生成了一段指令,当调用这个lambda时就会执行到这段指令,跟普通的函数调用一致。
可以看出传递给fcn1()::{lambda()#1}
函数的参数rdi的值其实就是v1变量的地址,所以这个lambda是是采用引用方式捕获变量的。
.Ltext0:fcn1()::{lambda()#1}::operator()() const: push rbp mov rbp, rsp mov QWORD PTR [rbp-8], rdi mov rax, QWORD PTR [rbp-8] mov rax, QWORD PTR [rax] mov eax, DWORD PTR [rax] pop rbp retfcn1(): push rbp mov rbp, rsp sub rsp, 16 mov DWORD PTR [rbp-8], 42 lea rax, [rbp-8] mov QWORD PTR [rbp-16], rax mov DWORD PTR [rbp-8], 0 lea rax, [rbp-16] mov rdi, rax call fcn1()::{lambda()#1}::operator()() const mov DWORD PTR [rbp-4], eax nop leave ret
参考
《IDA Pro权威指南》
《C++反汇编与逆向分析技术揭秘》
《C++ Primer(第5版)》
- C++与汇编小结
- 汇编与C....
- 汇编与C配合
- Keil c与汇编
- C语言与汇编
- 汇编与C语言
- 汇编学习-汇编指令与C语言
- 汇编与C/C++内联嵌入汇编
- c++反汇编与逆向分析 小结
- c++反汇编与逆向分析--小结
- 汇编小结
- 汇编小结
- 汇编小结
- 汇编小结
- 汇编小结
- 汇编小结
- C与ARM汇编之一
- Intel 汇编与C语言
- hue配置简介使用
- IEEE会议上传字体问题
- 如何解决Tomcat 服务器点击startup.bat 时闪退的问题
- idea破解方法
- Spring Boot之Hello World
- C++与汇编小结
- 文章标题
- Java面试题全集(上)
- Android开发之apk覆盖
- STL源码剖析——空间配置器
- 【数据挖掘】基于决策树的分类
- C语言与C++的区别
- Apache Shiro 使用手册
- Tomcat热部署的三种方式