C++删除运算符如何查找多态对象的内存位置

How does the C++ delete operator find the memory location of a polymorphic object?

本文关键字：多态 对象 位置 内存 查找 运算符 删除 何查找 C++      更新时间：2023-10-16

我想知道当给delete操作符一个基类指针时，它是如何计算出需要释放的内存位置的，该指针与对象的真实内存位置不同。

我想在我自己的自定义分配器/解除分配器中复制这种行为。

考虑以下层次结构：

struct A
{
    unsigned a;
    virtual ~A() { }
};
struct B
{
    unsigned b;
    virtual ~B() { }
};
struct C : public A, public B
{
    unsigned c;
};

我想分配一个C类型的对象，并通过B类型的指针删除它。据我所知，这是运算符delete的有效使用，它在Linux/GCC:下工作

C* c = new C;
B* b = c;
delete b;

有趣的是，指针"b"answers"c"实际上指向不同的地址，因为对象在内存中的布局方式不同，而删除运算符"知道"如何找到并释放正确的内存位置。

我知道，一般来说，在给定基类指针的情况下，不可能找到多态对象的大小：找出多态对象的尺寸。我怀疑，通常也不可能找到对象的真实内存位置。

注：

  • 我的问题与新建[]和删除[]的工作方式无关。我对单对象分配的情况感兴趣。如何删除[]"；知道"；操作数数组的大小
  • 我也不关心析构函数是如何调用的。我对内存本身的释放感兴趣。如何'；删除'；删除基类的指针时有效
  • 我使用-fno-rtti和-fno异常进行了测试，因此G++不应该访问运行时类型信息

这显然是特定于实现的。在实践中，实现事物的合理方法数量相对较少。从概念上讲，这里有几个问题：

  1. 您需要能够获得指向派生最多的对象的指针，即（概念上）包含所有其他类型的对象。

    在标准C++中，您可以使用dynamic_cast:来完成此操作

    void *derrived = dynamic_cast<void*>(some_ptr);

    它只从B*中获取C*，例如：

    #include <iostream>
struct A
{
    unsigned a;
    virtual ~A() { }
};
struct B
{
    unsigned b;
    virtual ~B() { }
};
struct C : public A, public B
{
    unsigned c;
};
int main() {
  C* c = new C;
  std::cout << static_cast<void*>(c) << "n";
  B* b = c;
  std::cout << static_cast<void*>(b) << "n";
  std::cout << dynamic_cast<void*>(b) << "n";
  delete b;
}

    在我的系统上给出了以下内容

    0x912c0080x912c0100x912c008

  2. 一旦完成，它就变成了一个标准的内存分配跟踪问题。通常，这可以通过以下两种方式之一来完成：a）在分配的内存之前记录分配的大小，然后通过指针相减来查找大小；b）在某种数据结构中记录分配和空闲内存。有关更多详细信息，请参阅这个问题，它有很好的参考。

    使用glibc，您可以相当明智地查询给定分配的大小：

    #include <iostream>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
int main() {
  char *test = (char*)malloc(50);
  std::cout << malloc_usable_size(test) << "n";
}

    这些信息可以类似地释放/删除，并用于确定如何处理返回的内存块。

实现malloc_useable_size的确切细节在libc源代码malloc/malloc.c:中给出

（以下是Colin Plumb编辑的解释。）

使用"边界标记"方法来维护内存块，如下所示在例如Knuth或Standish中描述。（见Paul Wilson的论文ftp://ftp.cs.utexas.edu/pub/garbage/allocsrv.ps调查技术。）空闲块的大小存储在每个块和末尾。这使得整合零散的区块非常快地变成大块。大小字段也包含位表示块是空闲的还是在使用中。

分配的区块如下所示：

chunk->+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|上一个区块的大小（如果已分配）||+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+|区块大小，以字节为单位|M|P|mem->+-+-+-+-+/-+-+-+-+++++++++-+-+-++|用户数据从这里开始。。。（malloc_usable_size（）字节）。.|nextchunk->+-+-+-+-+++++++++-+-+-++-+-+-+/-+-+-+-++|区块大小|+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
销毁基类指针需要实现一个虚拟析构函数。如果你不这么做，所有的赌注都会落空。

调用的第一个析构函数将是由虚拟机制（vtable）确定的派生对象最多的析构函数。这个析构函数知道对象的大小！它可以把这些信息藏在某个地方，或者把它传递到销毁器的链条上。

它的实现是定义的，但一种常见的实现技术是operator delete实际上是由析构函数调用的（而不是包含delete的代码），并且析构函数有一个隐藏的参数来控制是否调用operator delete。

使用此实现，大多数对析构函数的调用（所有显式dtor调用、对自动和静态变量的调用，以及从派生析构函数对基析构函数调用）都会将该额外的隐藏参数设置为false（因此不会调用运算符delete）。然而，当存在delete表达式时，它会调用隐藏参数为true的对象的顶级析构函数。在您的示例中，这将是C:：~C（），因此它将知道回收整个对象的内存

通常的实现（理论上可能还有其他实现，我怀疑在实践中是否有）是每个基对象都有一个vtable（如果没有，则基对象不是多态的，不能用于删除）。vtable不仅包含指向虚拟函数的指针，还包含整个RTTI所需的内容，包括从当前对象到最派生对象的偏移量。

为了解释（在任何真正的实现中都可能存在差异，我可能犯了一些错误），以下是真正使用的：

struct A_VTable_Desc {
   int offset;
   void* (destructor)();
} AVTable = { 0, A::~A };
struct A_impl {
   unsigned a;
   A_VTable_Desc* vptr;
};
struct B_VTable_Desc {
   int offset;
   void* (destructor)();
} BVtable = { 0, &B::~B };
struct B_impl {
   unsigned b;
   B_VTable_Desc* __vptr;
};
A_VTable_Desc CAVtable = { 0, &C::~C_as_A };
B_VTable_Desc CBVtable = { -8, &C::~C_as_B };
struct C {
   A_impl __aimpl;
   B_impl __bimpl;
   unsigned c;
};

而C的构造函数隐含地做一些类似的事情

this->__aimpl->__vptr = &CAVtable;
this->__bimpl->__vptr = &CBVtable;

编译delete运算符时，编译器需要确定在执行析构函数后要调用的"deallocation"函数。请注意，析构函数与解除分配调用没有任何直接关系，但它确实会影响编译器如何查找解除分配函数。

在通常的情况下，对象没有特定于类型的解除分配函数，在这种情况下使用全局解除分配函数并且总是隐式声明（C++03 3.7.3/2）：

void operator delete(void*) throw();

请注意，此函数甚至不接受大小参数。它只需要根据指针的值来确定分配大小。这可以通过在地址之前存储分配的大小来实现（是否有其他实现方式？）。

但是，在决定使用该释放函数之前，编译器会执行一次查找，看看是否应该使用特定类型的释放函数。该函数可以具有单个参数（void*）或两个参数（void*和size_t）。

在查找解除分配函数时，如果用作delete操作数的指针的静态类型具有虚拟析构函数，则（C++03 12.5/4）:

deallocation函数是在动态的定义中通过查找找到的函数类型的虚拟析构函数

实际上，对于具有虚拟析构函数的类型，任何operator delete()释放函数都是虚拟的，即使实际函数必须是static（标准在12.5/7中对此进行了说明）。在这种情况下，如果需要，编译器可以传递对象的大小，因为它可以访问对象的动态类型（对对象指针的任何必要调整都可以以相同的方式找到）。

如果delete的操作数的静态类型是静态的，则operator delete()释放函数的查找遵循通常的规则。同样，如果编译器选择了一个需要大小参数的释放函数，它可以这样做，因为它在编译时知道对象的静态类型。

最后一种情况是导致未定义行为：如果指针的静态类型没有虚拟析构函数，而是指向派生类型对象，那么编译器可能会查找错误的释放函数并传递错误的大小。但既然这是未定义行为的结果，那也没关系。

指向多态对象的指针通常被实现为指向对象和虚拟表的指针，其中包含关于对象的底层类的信息。delete将知道这些实现细节，并找到正确的析构函数

它可以像malloc一样做到这一点。一些malloc只记录对象本身之前的大小。大多数现代malloc都要复杂得多。请参阅tcmalloc，这是一个快速分配器，它将页面上相同大小的对象保持在一起，因此只需要保持页面粒度上的大小信息。

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