C++中的RTTI機制詳解

2020-01-26 15:16:18

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供稿：網友

前言

RTTI是”Runtime Type Information”的縮寫，意思是運行時類型信息，它提供了運行時確定對象類型的方法。RTTI并不是什么新的東西，很早就有了這個技術，但是，在實際應用中使用的比較少而已。而我這里就是對RTTI進行總結，今天我沒有用到，并不代表這個東西沒用。學無止境，先從typeid函數開始講起。

typeid函數

typeid的主要作用就是讓用戶知道當前的變量是什么類型的，比如以下代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
int main()
{
     short s = 2;
     unsigned ui = 10;
     int i = 10;
     char ch = 'a';
     wchar_t wch = L'b';
     float f = 1.0f;
     double d = 2;
 
     cout<<typeid(s).name()<<endl; // short
     cout<<typeid(ui).name()<<endl; // unsigned int
     cout<<typeid(i).name()<<endl; // int
     cout<<typeid(ch).name()<<endl; // char
     cout<<typeid(wch).name()<<endl; // wchar_t
     cout<<typeid(f).name()<<endl; // float
     cout<<typeid(d).name()<<endl; // double
 
     return 0;
}

對于C++支持的內建類型，typeid能完全支持，我們通過調用typeid函數，我們就能知道變量的信息。對于我們自定義的結構體，類呢？

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
struct C
{
     void Print() { cout<<"This is struct C."<<endl; }
};
 
int main()
{
     A *pA1 = new A();
     A a2;
 
     cout<<typeid(pA1).name()<<endl; // class A *
     cout<<typeid(a2).name()<<endl; // class A
 
     B *pB1 = new B();
     cout<<typeid(pB1).name()<<endl; // class B *
 
     C *pC1 = new C();
     C c2;
 
     cout<<typeid(pC1).name()<<endl; // struct C *
     cout<<typeid(c2).name()<<endl; // struct C
 
     return 0;
}

是的，對于我們自定義的結構體和類，tpyeid都能支持。在上面的代碼中，在調用完typeid之后，都會接著調用name()函數，可以看出typeid函數返回的是一個結構體或者類，然后，再調用這個返回的結構體或類的name成員函數；其實，typeid是一個返回類型為type_info類型的函數。那么，我們就有必要對這個type_info類進行總結一下，畢竟它實際上存放著類型信息。

type_info類

去掉那些該死的宏，在Visual Studio 2012中查看type_info類的定義如下：

復制代碼代碼如下:

class type_info
{
public:
    virtual ~type_info();
    bool operator==(const type_info& _Rhs) const; // 用于比較兩個對象的類型是否相等
    bool operator!=(const type_info& _Rhs) const; // 用于比較兩個對象的類型是否不相等
    bool before(const type_info& _Rhs) const;
 
    // 返回對象的類型名字，這個函數用的很多
    const char* name(__type_info_node* __ptype_info_node = &__type_info_root_node) const;
    const char* raw_name() const;
private:
    void *_M_data;
    char _M_d_name[1];
    type_info(const type_info& _Rhs);
    type_info& operator=(const type_info& _Rhs);
    static const char * _Name_base(const type_info *,__type_info_node* __ptype_info_node);
    static void _Type_info_dtor(type_info *);
};

在type_info類中，復制構造函數和賦值運算符都是私有的，同時也沒有默認的構造函數；所以，我們沒有辦法創建type_info類的變量，例如type_info A;這樣是錯誤的。那么typeid函數是如何返回一個type_info類的對象的引用的呢？我在這里不進行討論，思路就是類的友元函數。

typeid函數的使用

typeid使用起來是非常簡單的，常用的方式有以下兩種：

1.使用type_info類中的name()函數返回對象的類型名稱

就像上面的代碼中使用的那樣；但是，這里有一點需要注意，比如有以下代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
int main()
{
     A *pA = new B();
     cout<<typeid(pA).name()<<endl; // class A *
     cout<<typeid(*pA).name()<<endl; // class A
     return 0;
}

我使用了兩次typeid，但是兩次的參數是不一樣的；輸出結果也是不一樣的；當我指定為pA時，由于pA是一個A類型的指針，所以輸出就為class A *；當我指定*pA時，它表示的是pA所指向的對象的類型，所以輸出的是class A；所以需要區分typeid(*pA)和typeid(pA)的區別，它們兩個不是同一個東西；但是，這里又有問題了，明明pA實際指向的是B，為什么得到的卻是class A呢？我們在看下一段代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     virtual void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
int main()
{
     A *pA = new B();
     cout<<typeid(pA).name()<<endl; // class A *
     cout<<typeid(*pA).name()<<endl; // class B
     return 0;
}

好了，我將Print函數變成了虛函數，輸出結果就不一樣了，這說明什么？這就是RTTI在搗鬼了，當類中不存在虛函數時，typeid是編譯時期的事情，也就是靜態類型，就如上面的cout<<typeid(*pA).name()<<endl;輸出class A一樣；當類中存在虛函數時，typeid是運行時期的事情，也就是動態類型，就如上面的cout<<typeid(*pA).name()<<endl;輸出class B一樣，關于這一點，我們在實際編程中，經常會出錯，一定要謹記。

2.使用type_info類中重載的==和!=比較兩個對象的類型是否相等

這個會經常用到，通常用于比較兩個帶有虛函數的類的對象是否相等，例如以下代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     virtual void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
class C : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class C."<<endl; }
};
 
void Handle(A *a)
{
     if (typeid(*a) == typeid(A))
     {
          cout<<"I am a A truly."<<endl;
     }
     else if (typeid(*a) == typeid(B))
     {
          cout<<"I am a B truly."<<endl;
     }
     else if (typeid(*a) == typeid(C))
     {
          cout<<"I am a C truly."<<endl;
     }
     else
     {
          cout<<"I am alone."<<endl;
     }
}
 
int main()
{
     A *pA = new B();
     Handle(pA);
     delete pA;
     pA = new C();
     Handle(pA);
     return 0;
}

這是一種用法，呆會我再總結如何使用dynamic_cast來實現同樣的功能。

dynamic_cast的內幕

在這篇《static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast總結》的文章中，也介紹了dynamic_cast的使用，對于dynamic_cast到底是如何實現的，并沒有進行說明，而這里就要對于dynamic_cast的內幕一探究竟。首先來看一段代碼：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     virtual void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B
{
public:
     virtual void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
class C : public A, public B
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class C."<<endl; }
};
 
int main()
{
     A *pA = new C;
     //C *pC = pA; // Wrong
     C *pC = dynamic_cast<C *>(pA);
     if (pC != NULL)
     {
          pC->Print();
     }
     delete pA;
}

在上面代碼中，如果我們直接將pA賦值給pC，這樣編譯器就會提示錯誤，而當我們加上了dynamic_cast之后，一切就ok了。那么dynamic_cast在后面干了什么呢？

dynamic_cast主要用于在多態的時候，它允許在運行時刻進行類型轉換，從而使程序能夠在一個類層次結構中安全地轉換類型，把基類指針（引用）轉換為派生類指針（引用）。我在《COM編程――接口的背后》這篇博文中總結的那樣，當類中存在虛函數時，編譯器就會在類的成員變量中添加一個指向虛函數表的vptr指針，每一個class所關聯的type_info object也經由virtual table被指出來，通常這個type_info object放在表格的第一個slot。當我們進行dynamic_cast時，編譯器會幫我們進行語法檢查。如果指針的靜態類型和目標類型相同，那么就什么事情都不做；否則，首先對指針進行調整，使得它指向vftable，并將其和調整之后的指針、調整的偏移量、靜態類型以及目標類型傳遞給內部函數。其中最后一個參數指明轉換的是指針還是引用。兩者唯一的區別是，如果轉換失敗，前者返回NULL，后者拋出bad_cast異常。對于在typeid函數的使用中所示例的程序，我使用dynamic_cast進行更改，代碼如下：

復制代碼代碼如下:

#include <iostream>
#include <typeinfo>
using namespace std;
 
class A
{
public:
     virtual void Print() { cout<<"This is class A."<<endl; }
};
 
class B : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class B."<<endl; }
};
 
class C : public A
{
public:
     void Print() { cout<<"This is class C."<<endl; }
};
 
void Handle(A *a)
{
     if (dynamic_cast<B*>(a))
     {
          cout<<"I am a B truly."<<endl;
     }
     else if (dynamic_cast<C*>(a))
     {
          cout<<"I am a C truly."<<endl;
     }
     else
     {
          cout<<"I am alone."<<endl;
     }
}
 
int main()
{
     A *pA = new B();
     Handle(pA);
     delete pA;
     pA = new C();
     Handle(pA);
     return 0;
}