vtable创建/填充时机探究：为何虚函数调用结果不一致？

问题现象 #

运行以下简化代码时，会随机出现两种不同的输出结果：一种是回调调用子类的methodToCall，另一种是调用父类的methodToCall，差异的核心在于线程执行时机与vtable初始化的竞争。

简化代码 #

#include <iostream>
#include <functional>
#include <thread>

using namespace std;

typedef std::function<void (void)> MyCallback;

MyCallback clb = NULL;

void callCallbackFromThread(void){
    while(clb == NULL);
    clb();
}

int someLongTask(void){
    volatile unsigned int i = 0;
    cout << "Start someLongTask" << endl;
    while(i < 100000000)
        i++;
    cout << "End someLongTask" << endl;
    return i;
}

class Base{
public:
    Base(){
        clb = std::bind(&Base::_methodToCall, this);
        cout << "Base-Constructor" << endl;
    }
protected:
    virtual void methodToCall(void){
        cout << "Base methodToCall got called!" << endl;
    };
private:
    void _methodToCall(void){
        methodToCall();
    }
};

class Child: public Base{
public:
    Child()
     : dummy(someLongTask()){
        cout << "Child Constructor" << endl;
    }
protected:
    void methodToCall(void){
        cout << "Child methodToCall got called!" << endl;
    }
private:
    int dummy;
};

int main()
{
    thread t(callCallbackFromThread);
    Child child;
    t.join();
    clb();

    return 0;
}

两种输出结果 #

结果1 #

Base-Constructor
Start someLongTask
Child methodToCall got called!
End someLongTask
Child Constructor
Child methodToCall got called!

结果2 #

Base-ConstructorBase methodToCall got called!
Start someLongTask

End someLongTask
Child Constructor
Child methodToCall got called!

原因解析 #

C++中，类的vtable初始化严格遵循构造顺序：

1. 构造Child对象时，首先执行父类Base的构造函数。此时对象的vtable会被设置为Base的vtable——因为在父类构造期间，对象还不是完整的Child对象，编译器会确保此时调用虚函数只会解析到父类版本。
2. 父类构造完成后，才会执行子类的成员初始化（此处是调用someLongTask）和子类构造函数体。在子类构造逻辑启动前，编译器会将对象的vtable替换为Child的vtable。

两种结果对应两种线程竞争场景：

• 场景1：线程在someLongTask执行期间调用回调——此时父类构造已完成，子类vtable也已替换完毕，因此methodToCall调用子类版本。
• 场景2：线程在父类构造完成后、子类vtable替换前调用回调——此时对象vtable仍为Base的，因此methodToCall调用父类版本。

另外，全局变量clb的访问未加同步机制，存在数据竞争，属于C++未定义行为，这是两种结果随机出现的直接诱因。

修复建议 #

• 避免在构造函数中注册回调或启动线程：构造期间对象尚未完全初始化，极易引发此类问题。
• 添加同步机制：如果必须在构造中处理多线程逻辑，需用互斥量等手段确保对象完全初始化后才允许回调执行。
• 构造完成后再注册回调：比如给Child类添加init方法，在对象构造完成后手动调用以注册回调，而非在父类构造中完成。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Muperman