C++ 虚指针、成员变量与类对象的偏移地址

╰半夏微凉° 2022-08-04 09:23 156阅读 0赞

先给出一段代码实现

#include <iostream>
    using namespace std;
    class animal
    {
    protected:
        int age;
    public:
        virtual void print_age(void) = 0;
    };
    class dog : public animal
    {
    public:
           dog() {this -> age = 2;}
           ~dog() { }
           virtual void print_age(void) {cout<<"Wang, my age = "<<this -> age<<endl;}
    };
    class cat: public animal
    {
    public:
        cat() {this -> age = 1;}
        ~cat() { }
        virtual void print_age(void) {cout<<"Miao, my age = "<<this -> age<<endl;}
    };
    int main(void)
    {
         cat kitty;
         dog jd;
         animal * pa;
         int * p = (int *)(&kitty);
         int * q = (int *)(&jd);
        p[0] = q[0];
        pa = &kitty;
        pa -> print_age();
        return 0;
    }

【源码输出】  
代码输出是 Wang, my age = 1；  
如果将 p\[0\] = q\[0\]; 换为 p\[1\] = q\[1\]; 则输出为 Miao, my age = 2。

【源码分析】

首先，这是一个取巧的改变虚表指针的办法，它利用了C++的对象模型的特点。我们知道，一个类有了虚函数后，它会有一个虚表来维护虚函数和一个虚表指针\_\_vptr来指向它，而这个程序利用的即是改变虚指针的指向。它首先&kitty，并且转换为int\*，获得cat类的虚表首地址，同样&jd获得dog类的虚表地址，而p\[0\] = q\[0\]令指向cat的虚表首地址，一下就变成了指向dog类的虚表首地址，然后基类获取到了这个指向dog类的kitty，调用虚方法则自然调用到了dog的print\_age，然后这里的age则依然保留的是cat的，因为你只是改变了虚指针指向的虚表地址，不影响member data。  
**重中之重，记住一个点：类对象的首地址是虚函数指针地址，其次是变量地址；改变对象指针类型，将改变实函数，改变对象指针变量，将改变虚函数与成员变量。**  
其次，这代码不但依赖某些C++编译器的行为，还依赖平台的指针宽度是32位。  
int \* p = (int \*)(&kitty);  
int \* q = (int \*)(&jd);  
p\[0\] = q\[0\];  
这几句不应该用int\*，而应该用intptr\_t\*才对。这样才能保证拷贝的是一个指针宽度的数据，而不是一个int宽度的数据。  
在32位平台上，int通常是32位，而指针是32位，所以正好匹配了，程序能正常运行；  
在64位平台上，如果是流行的LP64模型，int是32位而指针是64位，这里实际上只拷贝了指针的一半，程序能否正常运行就看运气了。  
如果是在一个64位且小端（little endian）的平台上，那这代码拷贝的是指针的低32位。很可能会运气好能正常运行，因为dog类与cat类的vtable可能正好在内存里处于很近的位置，它们的地址的高32位可能正好相同，地址不同的地方都在低32位，这样这个程序就运气好能正常运行。  
如果是在一个64位且大端（big endian）的平台上，那这段代码拷贝的是指针的高32位，那就完全达不到效果了。  
最后，这种题还有很多玩法。例如说一种简单的玩法是像这样：

直接整个vtable伪造出来然后想往里面填啥就填啥。