仮想メソッドチャートと安全性

記事の前の短いウォームアップとして、読者に次の質問をしてもらいたいと思います。写真家は、高品質の画像を得るためにカメラがどのように機能するかを知る必要がありますか？ まあ、少なくとも彼は「ダイヤフラム」の概念を知っている必要がありますか？ 信号対雑音比？ 「被写界深度」？ 実践では、このような複雑な単語を知っていても、0.3メガピクセルのくぼみを通して携帯電話で特に良く撮れない最も「手持ち」のもののショットは写真を撮ることができると示唆しています。 そして逆に、素材の完全な無知での経験とインスピレーションだけで本当に良い写真を得ることができます（これはルールの例外ですが、それでもまだです）。 しかし、技術からすべてを絞り出すことを望む専門家（および、マトリックスの1平方ミリメートルあたりのメガピクセル数だけでなく）を求める専門家にとって、この知識は必ず必要となると誰かが私と主張することはまずありません。許可されていません。 そして、これはデジタル写真業界だけでなく、他のほとんどの企業にも当てはまります。

これはプログラミングにも当てはまり、C ++でのプログラミングにも当てはまります。 この記事では、ほとんどすべての複雑なクラスに存在する「仮想テーブルインデックス」と呼ばれる言語の重要な概念と、それが誤って破損する可能性がある方法について説明します。 これにより、デバッグエラーが発生しにくくなります。 最初に、それが何であるかを思い出し、次にそこにどのように、そして何が壊れるかについての私の考えを共有します。

残念なことに、この記事では、低レベルに関連する多くの議論があります。 しかし、残念ながら、もはや問題を説明していません。 同時に、64ビットプログラムのビルドモードでVisual C ++コンパイラコンパイラの大部分について記事が書かれたことを予約します。他のコンパイラと異なるアーキテクチャのプログラムの結果は異なる場合があります。

仮想テーブルポインター

理論によれば、vptrポインター（仮想メソッドのテーブルへのポインター、または仮想テーブルポインター）は、少なくとも1つの仮想メソッドを持つすべてのクラスに存在します。 どんな動物なのかを詳しく見ていきます。 これを行うには、C ++で簡単なデモプログラムを作成します。

#include <iostream> #include <iomanip> using namespace std; int nop() { static int nop_x; return ++nop_x; //   , ! }; class A { public: unsigned long long content_A; A(void) : content_A(0xAAAAAAAAAAAAAAAAull) { cout << "++ A has been constructed" << endl;}; ~A(void) { cout << "-- A has been destructed" << endl;}; void function(void) { nop(); }; }; void PrintMemory(const unsigned char memory[], const char label[] = "contents") { cout << "Memory " << label << ": " << endl; for (size_t i = 0; i < 4; i++) { for (size_t j = 0; j < 8; j++) cout << setw(2) << setfill('0') << uppercase << hex << static_cast<int> (memory[i * 8 + j]) << " "; cout << endl; } } int main() { unsigned char memory[32]; memset(memory, 0x11, 32 * sizeof(unsigned char)); PrintMemory(memory, "before placement new"); new (memory) A; PrintMemory(memory, "after placement new"); reinterpret_cast<A *>(memory)->~A(); system("pause"); return 0; }; 

比較的大量のコードがありますが、その動作のロジックはかなり明白なはずです。32バイトがスタックに割り当てられ、0x11の値で埋められます（これはメモリ内の「ガベージ」と見なされます）。 次に、これらの32バイトの上に、 配置new演算子を使用してかなり単純なクラスAオブジェクトが作成され、最後にメモリの内容が出力され、その後、プログラムはオブジェクトを破棄して実行を完了します。 以下は、このプログラムの出力です（Microsoft Visual Studio 2012、x64）。

 Memory before placement new: 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 ++ A has been constructed Memory after placement new: AA AA AA AA AA AA AA AA 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 -- A has been destructed Press any key to continue . . . 

メモリ内のクラスのサイズは8バイトであり、唯一のメンバーであるunsigned long long content_Aのサイズに等しいことは簡単にわかります。

仮想関数をvoid関数（void）関数の宣言に追加して、プログラムを少し複雑にしましょう。

 virtual void function(void) {nop();}; 

プログラム出力（以下では、新規配置前にメモリを除いて出力の一部のみが表示され、任意のキーを押します...）：

 ++ A has been constructed Memory after placement new: F8 D1 C4 3F 01 00 00 00 AA AA AA AA AA AA AA AA 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 -- A has been destructed 

繰り返しになりますが、メモリ内のクラスサイズが16バイトになったことは簡単にわかります。 最初の8バイトは、仮想メソッドのテーブルへのポインターで占められています。 プログラムのこの開始時のポインターは0x000000013FC4D1F8でした（Intel64はリトルエンディアンのバイト順を使用しているため、ポインターとcontent_Aはメモリ内で「拡張」されますが、content_Aの場合、すぐに言うことはできません）。

仮想メソッドテーブルは、仮想メソッドへのポインターをリストする、自動的に生成されるメモリ内の特別な構造です。 function（）メソッドが、クラスAへのポインターに関してコードのどこかで呼び出される場合、A :: function（）関数を直接呼び出す代わりに、目的のオフセットで仮想メソッドのテーブルにある関数が呼び出されます-この動作はポリモーフィズムを実装します。 仮想関数テーブル自体を以下に示します（/ FAsスイッチを使用してコンパイルすることで取得します。さらに、アセンブラコード内の関数のやや奇妙な名前に注意してください。「 名前のマングリング 」を通過しました）。

 CONST SEGMENT ??_7A@@6B@ DQ FLAT:??_R4A@@6B@ ; A::'vftable' DQ FLAT:?function@A@@UEAAXXZ CONST ENDS 

__declspec（novtable）

原則として、仮想クラステーブルが不要な場合があります。 クラスAをインスタンス化しないと仮定します。インスタンス化する場合は、週末と祝日のみに、同時に1つの仮想関数が呼び出されないように注意してください。 これは、抽象クラスの場合にはかなり一般的な状況です。クラスが抽象クラスの場合、インスタンス化できないことがわかっています。 まさか。 実際、関数（void）関数が抽象としてクラスAで宣言された場合、仮想メソッドのテーブルは次のようになります。

 CONST SEGMENT ??_7A@@6B@ DQ FLAT:??_R4A@@6B@ ; A::'vftable' DQ FLAT:_purecall CONST ENDS 

明らかに、そのような関数を呼び出そうとすると、自分の足の腰痛になります。

質問が発生します：クラスがインスタンス化されない場合、なぜ仮想テーブルポインターを設定するのですか？ コンパイラが余分なコードを生成しないようにするために、__ declspec（novtable）の形式で命令を与えることができます（注意：マイクロソフト固有！）。 __declspec（novtable）属性を使用して、仮想関数でサンプルクラスを書き直します。

 class __declspec(novtable) A { .... } 

プログラムの出力は次のようになります。

 ++ A has been constructed Memory after placement new: 11 11 11 11 11 11 11 11 AA AA AA AA AA AA AA AA 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 -- A has been destructed 

まず、オブジェクトのサイズが変更されていないという事実に注意してください。それでも16バイトを必要とします。 合計すると、__ declspec（novtable）属性を導入した後、2つの相違点のみが現れました。まず、仮想メソッドテーブルのアドレスが以前にあった場所に、初期化されていないメモリ領域があります。 第二に-アセンブラコードでは、クラスAの仮想メソッドのテーブルはもう存在しません。 ただし、仮想テーブルポインターはまだ存在し、8バイトの「重さ」が残っています。 これは覚えておく必要があります...

継承

仮想テーブルポインターを使用して抽象クラスから最も単純な継承を実装するように例を書き換えます。

 class __declspec(novtable) A //     { public: unsigned long long content_A; A(void) : content_A(0xAAAAAAAAAAAAAAAAull) { cout << "++ A has been constructed" << endl;}; ~A(void) { cout << "-- A has been destructed" << endl;}; virtual void function(void) = 0; }; class B : public A //     A { public: unsigned long long content_B; B(void) : content_B(0xBBBBBBBBBBBBBBBBull) { cout << "++ B has been constructed" << endl;}; ~B(void) { cout << "-- B has been destructed" << endl;}; virtual void function(void) { nop(); }; }; 

また、クラスAの代わりに、メインプログラムでクラスBが作成（および破棄）されるようにします。

 .... new (memory) B; PrintMemory(memory, "after placement new"); reinterpret_cast<B *>(memory)->~B(); .... 

プログラムの出力は次のようになります。

 ++ A has been constructed ++ B has been constructed Memory after placement new: D8 CA 2C 3F 01 00 00 00 AA AA AA AA AA AA AA AA BB BB BB BB BB BB BB BB 11 11 11 11 11 11 11 11 -- B has been destructed -- A has been destructed 

何が起こったかを把握してみましょう。 コンストラクターB :: B（）が呼び出されました。 このコンストラクターは、実行される前に、基本クラスのコンストラクターであるコンストラクターA :: A（）を呼び出します。 まず、仮想テーブルポインターを初期化する必要がありますが、__ declspec（novtable）属性のため、初期化されませんでした。 次に、コンストラクターはcontent_Aフィールドの値を0xAAAAAAAAAAAAAAAAAull（メモリの2番目のフィールド）に設定し、コンストラクターB :: B（）に制御を返します。

オブジェクトBには__declspec（novtable）属性がないため、コンストラクターは仮想テーブルポインター（メモリ内の最初のフィールド）をクラスB仮想メソッドテーブルに設定し、次にcontent_Bを0xBBBBBBBBBBBBBBBBBull（メモリ内の3番目のフィールド）に設定し、メインプログラムに制御を返します。 メモリの内容から、クラスBのオブジェクトが正しく構築されたことを簡単に理解でき、このコンテキストでは不要な操作がスキップされたことはロジックから明らかです。 混乱している場合：不要な操作とは、基本クラスのコンストラクターで仮想テーブルへのポインターを初期化することを意味します。

見逃された操作は1つだけのように思えます-ポイントはそれを取り除くことですか？ しかし、プログラムが同じ抽象クラスから継承した何千ものクラスを持っている場合、1つの自動生成コマンドを削除すると、パフォーマンスに深刻な影響を与える可能性があります。 そして、それは影響します。 信じられない？

Memset関数

memset（）関数の主な考え方は、メモリ領域を一定の値（ほとんどの場合ゼロ）で埋めることです。 Cでは、構造体のすべてのフィールドをすばやく初期化するために使用できます。 また、仮想テーブルポインターがない場合、C ++クラスとメモリロケーションのC構造体の違いは何ですか？ 原則として、何も、データ-それらはデータです。 本当に単純なクラス（C ++ 11の用語- 標準デバイスの型 ）を初期化するには、memset（）関数を使用することができます。 しかし、理論的には、memset（）関数を使用して一般にすべてのクラスを初期化できますが、結果はどうなりますか？ 誤ったmemset（）を一度にすると、仮想テーブルポインターが使用できなくなることがあります。 しかし、すぐに問題が発生します。クラスが__declspec（novtable）として宣言されている場合でも、それは可能ですか？

回答：それは可能ですが、慎重にしかできません。

クラスを次のように書き換えます。クラスAのコンテンツ全体を0xAAに設定するワイプメソッドを追加します。

 class __declspec(novtable) A //     { public: unsigned long long content_A; A(void) { cout << "++ A has been constructed" << endl; wipe(); }; // { cout << "++ A has been constructed" << endl; }; ~A(void) { cout << "-- A has been destructed" << endl;}; virtual void function(void) = 0; void wipe(void) { memset(this, 0xAA, sizeof(*this)); cout << "++ A has been wiped" << endl; }; }; class B : public A //     A { public: unsigned long long content_B; B(void) : content_B(0xBBBBBBBBBBBBBBBBull) { cout << "++ B has been constructed" << endl;}; // { // cout << "++ B has been constructed" << endl; // A::wipe(); // }; ~B(void) { cout << "-- B has been destructed" << endl;}; virtual void function(void) {nop();}; }; 

この場合のプログラムの出力は非常に期待されます。

 ++ A has been constructed ++ A has been wiped ++ B has been constructed Memory after placement new: E8 CA E8 3F 01 00 00 00 AA AA AA AA AA AA AA AA BB BB BB BB BB BB BB BB 11 11 11 11 11 11 11 11 -- B has been destructed -- A has been destructed 

これまでのところ、すべてがうまく機能しています。

ただし、コンストラクターの行をコメント化して、それに続く行のコメントを外すことで、wipe（）関数呼び出しの場所をわずかに変更する必要があります。 仮想関数（）関数の最初の呼び出しでは、仮想テーブルポインターが破損しているため、ランタイムエラーが発生します。

 ++ A has been constructed ++ B has been constructed ++ A has been wiped Memory after placement new: AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA AA BB BB BB BB BB BB BB BB 11 11 11 11 11 11 11 11 -- B has been destructed -- A has been destructed 

なぜこれが起こったのですか？ クラスBコンストラクターが仮想メソッドテーブルへのポインターを初期化した後に、wipe（）関数が呼び出されました。 その結果、このポインターは劣化しました。 つまり、__ declspec（novtable）で宣言されている場合でも、仮想テーブルポインターでクラスを無効にしないでください。 完全なゼロ化は、インスタンス化されないクラスのコンストラクターでのみ適切であり、その場合でも細心の注意を払って行う必要があります。

Memcpy関数

memcpy（）の場合、画像はまったく同じです。 繰り返しますが、理論的には、メモリ内の標準デバイスで型をコピーするために使用できます。 ただし、実践によって判断すると、一部のプログラマーは、必要な場合とそうでない場合に使用することを好みます。 メモリに標準デバイスがないタイプの場合、memcpy（）関数の使用は、ナイアガラの滝を渡る綱渡りのようなものです。1つの間違いは致命的な結果につながる可能性があり、それはとてつもなく簡単です。 例として：

 class __declspec(novtable) A { .... A(const A &source) { memcpy(this, &source, sizeof(*this)); } virtual void foo() { } .... }; class B : public A { .... }; 

コピーコンストラクターは、抽象クラスの仮想テーブルへのポインターに、デジタルソウルが望むものを何でも書き込むことができます。正しい値はとにかく配置されます。 ただし、代入演算子の実装では、memcpy（）関数を使用することはできなくなりました。

 class __declspec(novtable) A { .... A &operator =(const A &source) { memcpy(this, &source, sizeof(*this)); return *this; } virtual void foo() { } .... }; class B : public A { .... }; 

ここで、代入演算子とコピーコンストラクターが実質的に同じものであるという事実にどのように慣れているかを思い出してください。 いいえ、すべてがそれほど悪いわけではありません：実際には、代入演算子のコードは正しく動作することさえできますが、それは正しいからです。しかし、星はそのように形成されているからです。 このコードでは、別のオブジェクトから仮想メソッドのテーブルへのポインターがコピーされますが、どのような結果になるかはわかりません。

PVS-Studio

この記事は、神秘的な__declspec（novtable）に関する詳細な調査の結果として登場しました。また、高レベルコードでmemset（）およびmemcpy（）関数を使用することが可能かつ不可能な場合もあります。 開発者は時々、 PVS-Studioアナライザーが仮想テーブルポインターに関する警告を頻繁に生成することを報告しています。 プログラマは、__ declspec（novtable）が存在する場合、仮想メソッドテーブルまたは仮想テーブルポインターは存在しないと考えています。 私たちはこの問題に慎重に対処し始め、それがそれほど単純ではないことに気付きました。

これは覚えておく必要があります。 クラスの宣言時に__declspec（novtable）を使用する場合、これはクラスに仮想メソッドテーブルへのポインターが含まれていないことを意味しません！ しかし、このポインターは初期化されているかどうかです-これはまったく別の質問です。

__declspec（novtable）で宣言された基本クラスのコンストラクターで使用される場合にのみ、アナライザーにmemset（）/ memcpy（）関数を誓わせません。

おわりに

残念ながら、この記事は継承に関連する多くの資料をカバーできませんでした（たとえば、多重継承のトピックは完全に明らかにされていませんでした）。 ただし、この情報が「すべてがそれほど単純ではない」ことを理解し、高レベルのオブジェクトに適用される低レベルの関数を使用する前に3回考える価値があることを願っています。 そして一般的に、それは価値がありますか？