C++對(duì)象模型之RTTI的實(shí)現(xiàn)原理
RTTI是Runtime Type Identification的縮寫(xiě)，意思是運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別。C++引入這個(gè)機(jī)制是為了讓程序在運(yùn)行時(shí)能根據(jù)基類的指針或引用來(lái)獲得該指針或引用所指的對(duì)象的實(shí)際類型。但是現(xiàn)在RTTI的類型識(shí)別已經(jīng)不限于此了，它還能通過(guò)typeid操作符識(shí)別出所有的基本類型(int，指針等)的變量對(duì)應(yīng)的類型。
C++通過(guò)以下的兩個(gè)操作提供RTTI：
- typeid運(yùn)算符，該運(yùn)算符返回其表達(dá)式或類型名的實(shí)際類型。
- dynamic_cast運(yùn)算符，該運(yùn)算符將基類的指針或引用安全地轉(zhuǎn)換為派生類類型的指針或引用。
下面分別詳細(xì)地說(shuō)明這兩個(gè)操作的實(shí)現(xiàn)方式。
注所有的測(cè)試代碼的測(cè)試環(huán)境均為：32位Ubuntu 14.04 g++ 4.8.2，若在不同的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果可能有不同。
1、typeid運(yùn)算符
typeid運(yùn)算符，后接一個(gè)類型名或一個(gè)表達(dá)式，該運(yùn)算符返回一個(gè)類型為std::tpeinf的對(duì)象的const引用。type_info是std中的一個(gè)類，它用于記錄與類型相關(guān)的信息。類type_info的定義大概如下：
- class type_info
- {
- public:
- virtual ~type_info();
- bool operator==(const type_info&)const;
- bool operator!=(const type_info&)const;
- bool before(const type_info&)const;
- const char* name()const;
- private:
- type_info(const type_info&);
- type_info& operator=(const type_info&);
- // data members
- };
至于data members部分，不同的編譯器會(huì)有所不同，但是都必須提供最小量的信息是class的真實(shí)名稱和在type_info對(duì)象之間的某些排序算法(通過(guò)before()成員函數(shù)提供)，以及某些形式的描述器，用來(lái)表示顯式的類的類型和該類的任何子類型。
從上面的定義也可以看到，type_info提供了兩個(gè)對(duì)象的相等比較操作，但是用戶并不能自己定義一個(gè)type_info的對(duì)象，而只能通過(guò)typeid運(yùn)算符返回一個(gè)對(duì)象的const引用來(lái)使用type_info的對(duì)象。因?yàn)槠渲宦暶髁艘粋€(gè)構(gòu)造函數(shù)(復(fù)制構(gòu)造函數(shù))且為private，所以編譯器不會(huì)合成任何的構(gòu)造函數(shù)，而且賦值操作運(yùn)行符也為private。這兩個(gè)操作就完全禁止了用戶對(duì)type_info對(duì)象的定義和復(fù)制操作，用戶只能通過(guò)指向type_info的對(duì)象的指針或引用來(lái)使用該類。
下面說(shuō)說(shuō)，typeid對(duì)靜態(tài)類型的表達(dá)式和動(dòng)態(tài)類型的表達(dá)式的處理和實(shí)現(xiàn)。
1)typeid識(shí)別靜態(tài)類型
當(dāng)typeid中的操作數(shù)是如下情況之一時(shí)，typeid運(yùn)算符指出操作數(shù)的靜態(tài)類型，即編譯時(shí)的類型。
- 類型名
- 一個(gè)基本類型的變量
- 一個(gè)具體的對(duì)象
- 一個(gè)指向不含有virtual函數(shù)的類對(duì)象的指針的解引用
- 一個(gè)指向不含有virtual函數(shù)的類對(duì)象的引用
靜態(tài)類型在程序的運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)改變，所以并不需要在程序運(yùn)行時(shí)計(jì)算類型，在編譯時(shí)就能根據(jù)操作數(shù)的靜態(tài)類型，推導(dǎo)出其類型信息。例如如下的代碼片斷，typeid中的操作數(shù)均為靜態(tài)類型：
- class X { ...... // 具有virtual函數(shù) };
- class XX : public X { ...... // 具有virtual函數(shù)};
- class Y { ...... // 沒(méi)有virtual函數(shù)};
- int main()
- {
- int n = 0;
- XX xx;
- Y y;
- Y *py = &y;
- // int和XX都是類型名
- cout << typeid(int).name() << endl;
- cout << typeid(XX).name() << endl;
- // n為基本變量
- cout << typeid(n).name() << endl;
- // xx所屬的類雖然存在virtual，但是xx為一個(gè)具體的對(duì)象
- cout << typeid(xx).name() << endl;
- // py為一個(gè)指針，屬于基本類型
- cout << typeid(py).name() << endl;
- // py指向的Y的對(duì)象，但是類Y不存在virtual函數(shù)
- cout << typeid(*py).name() << endl;
- return 0;
- }
2)typeid識(shí)別多態(tài)類型
當(dāng)typeid中的操作數(shù)是如下情況之一時(shí)，typeid運(yùn)算符需要在程序運(yùn)行時(shí)計(jì)算類型，因?yàn)槠淦洳僮鲾?shù)的類型在編譯時(shí)期是不能被確定的。
- 一個(gè)指向不含有virtual函數(shù)的類對(duì)象的指針的解引用
- 一個(gè)指向不含有virtual函數(shù)的類對(duì)象的引用
多態(tài)的類型是可以在運(yùn)行過(guò)程中被改變的，例如，一個(gè)基類的指針，在程序運(yùn)行的過(guò)程中，它可以指向一個(gè)基類對(duì)象，也可以指向該基類的派生類的對(duì)象，而typeid運(yùn)算符需要在運(yùn)行過(guò)程中識(shí)別出該基類指針?biāo)赶虻膶?duì)象的實(shí)際類型，這就需要typeid運(yùn)算符在運(yùn)行過(guò)程中計(jì)算其指向的對(duì)象的實(shí)際類型。例如對(duì)于以下的類定義：
- class X
- {
- public:
- X()
- {
- mX = 101;
- }
- virtual void vfunc()
- {
- cout << "X::vfunc()" << endl;
- }
- private:
- int mX;
- };
- class XX : public X
- {
- public:
- XX():
- X()
- {
- mXX = 1001;
- }
- virtual void vfunc()
- {
- cout << "XX::vfunc()" << endl;
- }
- private:
- int mXX;
- };
使用如下的代碼進(jìn)行測(cè)試：
- void printTypeInfo(const X *px)
- {
- cout << "typeid(px) -> " << typeid(px).name() << endl;
- cout << "typeid(*px) -> " << typeid(*px).name() << endl;
- }
- int main()
- {
- X x;
- XX xx;
- printTypeInfo(&x);
- printTypeInfo(&xx);
- return 0;
- }
其輸出如下：
從輸出的結(jié)果可以看出，無(wú)論printTypeInfo函數(shù)中指針px指向的對(duì)象是基類X的對(duì)象，還是指向派生類XX的對(duì)象，typeid運(yùn)行返回的px的類型信息都是相同的，因?yàn)閜x為一個(gè)靜態(tài)類型，其類型名均為PX1X。但是typeid運(yùn)算符卻能正確地計(jì)算出了px指向的對(duì)象的實(shí)際類型。(注：由于C++為了保證每一個(gè)類在程序中都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的類名，所以會(huì)對(duì)類名通過(guò)一定的規(guī)則進(jìn)行改寫(xiě)，所以在這里顯示的類名跟我們定義的有一些不一樣，如類XX的類名，被改寫(xiě)成了2XX。)
那么問(wèn)題來(lái)了，typeid是如何計(jì)算這個(gè)類型信息的呢?下面將重點(diǎn)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。
多態(tài)類型是通過(guò)在類中聲明一個(gè)或多個(gè)virtual函數(shù)來(lái)區(qū)分的。因?yàn)樵贑++中，一個(gè)具備多態(tài)性質(zhì)的類，正是內(nèi)含直接聲明或繼承而來(lái)的virtual函數(shù)。多態(tài)類的對(duì)象的類型信息保存在虛函數(shù)表的索引的-1的項(xiàng)中，該項(xiàng)是一個(gè)type_info對(duì)象的地址，該type_info對(duì)象保存著該對(duì)象對(duì)應(yīng)的類型信息，每個(gè)類都對(duì)應(yīng)著一個(gè)type_info對(duì)象。下面就對(duì)這一說(shuō)法進(jìn)行驗(yàn)證。
使用如以的代碼，對(duì)上述的類X和類XX的對(duì)象的內(nèi)存布局進(jìn)行測(cè)試：
- typedef void (*FuncPtr)();
- int main()
- {
- XX xx;
- FuncPtr func;
- char *p = (char*)&xx;
- // 獲得虛函數(shù)表的地址
- int **vtbl = (int**)*(int**)p;
- // 輸出虛函數(shù)表的地址，即vptr的值
- cout << vtbl << endl;
- // 獲得type_info對(duì)象的指針，并調(diào)用其name成員函數(shù)
- cout << "\t[-1]: " << (vtbl[-1]) << " -> "
- << ((type_info*)(vtbl[-1]))->name() << endl;
- // 調(diào)用第一個(gè)virtual函數(shù)
- cout << "\t[0]: " << vtbl[0] << " -> ";
- func = (FuncPtr)vtbl[0];
- func();
- // 輸出基類的成員變量的值
- p += sizeof(int**);
- cout << *(int*)p << endl;
- // 輸出派生類的成員變量的值
- p += sizeof(int);
- cout << *(int*)p << endl;
- return 0;
- }
測(cè)試代碼，對(duì)類XX的對(duì)象的內(nèi)存布局進(jìn)行測(cè)試，其輸出結(jié)果如下：
從運(yùn)行結(jié)果可以看到，利用虛函數(shù)表的-1的項(xiàng)的地址轉(zhuǎn)換成一個(gè)type_info的指針類型，并調(diào)用name成員函數(shù)的輸出為2XX，其輸出與前面的測(cè)試代碼中利用typeid的輸出一致。從而可以知道，關(guān)于多態(tài)類型的計(jì)算是通過(guò)基類指針或引用指向的對(duì)象(子對(duì)象)的虛函數(shù)表獲得的。
從運(yùn)行的結(jié)果可以知道，類XX的對(duì)象的內(nèi)存布局如下：
對(duì)于以下的代碼片斷：
- typeid(*px).name()
可能被轉(zhuǎn)換成如下的C++偽代碼，用于計(jì)算實(shí)際對(duì)象的類型：
- (*(type_info*)px->vptr[-1]).name();
在多重繼承和虛擬繼承的情況下，一個(gè)類有n(n>1)個(gè)虛函數(shù)表，該類的對(duì)象也有n個(gè)vptr，分別指向這些虛函數(shù)表，但是一個(gè)類的所有的虛函數(shù)表的索引為-1的項(xiàng)的值(type_info對(duì)象的地址)都是相等的，即它們都指向同一個(gè)type_info對(duì)象，這樣就實(shí)現(xiàn)了無(wú)論使用了哪一個(gè)基類的指針或引用指向其派生類的對(duì)象，都能通過(guò)相應(yīng)的虛函數(shù)表獲取到相同的type_info對(duì)象，從而得到相同的類型信息。
3)typeid的識(shí)別錯(cuò)誤的情況
從第2)節(jié)可以看到，typeid對(duì)于多態(tài)類型是通過(guò)虛函數(shù)表來(lái)計(jì)算的，若一個(gè)基類的指針指向了一個(gè)派生類，而該派生類并不存在virtual函數(shù)會(huì)出現(xiàn)什么情況呢?
例如，把第2)節(jié)中的X和XX類中的virtual函數(shù)全部去掉，改成以下的代碼：
- class X
- {
- public:
- X()
- {
- mX = 101;
- }
- private:
- int mX;
- };
- class XX : public X
- {
- public:
- XX():
- X()
- {
- mXX = 1001;
- }
- private:
- int mXX;
- };
測(cè)試代碼不變，如下：
- void printTypeInfo(const X *px)
- {
- cout << "typeid(px) -> " << typeid(px).name() << endl;
- cout << "typeid(*px) -> " << typeid(*px).name() << endl;
- }
- int main()
- {
- X x;
- XX xx;
- printTypeInfo(&x);
- printTypeInfo(&xx); // 注釋1
- return 0;
- }
其輸出如下：
從輸出的結(jié)果可以看到，對(duì)于注釋1的函數(shù)調(diào)用，雖然函數(shù)中基類(X)的指針px指向一個(gè)派生類對(duì)象(XX類的對(duì)象xx)，但是typeid卻并不沒(méi)有像第2)節(jié)那樣能正確地通過(guò)指針px計(jì)算出其所指對(duì)象的實(shí)際類型。
其原因在于類XX和類X都沒(méi)有一個(gè)virtual函數(shù)，所以類XX和類X并不表現(xiàn)出多態(tài)類的性質(zhì)。所以對(duì)類的指針的解引用符合第1)節(jié)中所說(shuō)的靜態(tài)類型，所以其類型信息是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定的，并不需要在程序運(yùn)行的過(guò)程中運(yùn)行計(jì)算，所以其輸出的類型均為1X而沒(méi)有輸出1XX。更進(jìn)一步說(shuō)，是因?yàn)轭怷和類XX都不存在virtual函數(shù)，所以類X和XX都不存在虛函數(shù)表，所以也就沒(méi)有空間存儲(chǔ)跟類X和XX類型有關(guān)的type_info對(duì)象的地址。
然而在C++中即使一個(gè)類不具有多態(tài)的性質(zhì)，仍然允許把一個(gè)派生類的指針賦值給一個(gè)基類的指針，所以這個(gè)錯(cuò)誤比較隱晦。
2、dynamic_cast運(yùn)算符
把一個(gè)基類類型的指針或引用轉(zhuǎn)換至繼承架構(gòu)的末端某一個(gè)派生類類型的指針或引用被稱為向下轉(zhuǎn)型(downcast)。dynamic_cast運(yùn)算符的作用是安全而有效地進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型。
把一個(gè)派生類的指針或引用轉(zhuǎn)換成其基類的指針或引用總是安全的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)分析對(duì)象的內(nèi)存布局可以知道，派生類的對(duì)象中必然存在基類的子對(duì)象，所以通過(guò)基類的指針或引用對(duì)派生類對(duì)象進(jìn)行的所有基類的操作都是合法和安全的。而向下轉(zhuǎn)型有潛在的危險(xiǎn)性，因?yàn)榛惖闹羔樋梢灾赶蚧悓?duì)象或其任何派生類的對(duì)象，而該對(duì)象并不一定是向下轉(zhuǎn)型的類型的對(duì)象。所以向下轉(zhuǎn)型遏制了類型系統(tǒng)的作用，轉(zhuǎn)換后對(duì)指針或引用的使用可能會(huì)引發(fā)錯(cuò)誤的解釋或腐蝕程序內(nèi)存等錯(cuò)誤。
例如對(duì)于以下的類定義：
- class X
- {
- public:
- X()
- {
- mX = 101;
- }
- virtual ~X()
- {
- }
- private:
- int mX;
- };
- class XX : public X
- {
- public:
- XX():
- X()
- {
- mXX = 1001;
- }
- virtual ~XX()
- {
- }
- private:
- int mXX;
- };
- class YX : public X
- {
- public:
- YX()
- {
- mYX = 1002;
- }
- virtual ~YX()
- {
- }
- private:
- int mYX;
- };
使用如下的測(cè)試代碼，其中的類型轉(zhuǎn)換均為向下轉(zhuǎn)型：
- int main(){ X x; XX xx; YX yx; X *px = &xx; cout << px << endl; XX *pxx = dynamic_cast<XX*>(px); // 轉(zhuǎn)換1 cout << pxx << endl; YX *pyx = dynamic_cast<YX*>(px); // 轉(zhuǎn)換2 cout << pyx << endl; pyx = (YX*)px; // 轉(zhuǎn)換3 cout << pyx << endl; pyx = static_cast<YX*>(px); // 轉(zhuǎn)換4 cout << pyx << endl; return 0;}
其運(yùn)行結(jié)果如下：
運(yùn)行結(jié)果分析
px是一個(gè)基類(X)的指針，但是它指向了派生類XX的一個(gè)對(duì)象。在轉(zhuǎn)換1中，轉(zhuǎn)換成功，因?yàn)閜x指向的對(duì)象確實(shí)為XX的對(duì)象。在轉(zhuǎn)換2中，轉(zhuǎn)換失敗，因?yàn)閜x指向的對(duì)象并不是一個(gè)YX對(duì)象，此時(shí)dymanic_cast返回NULL。轉(zhuǎn)換3為C風(fēng)格的類型轉(zhuǎn)換而轉(zhuǎn)換4使用的是C++中的靜態(tài)類型轉(zhuǎn)換，它們均能成功轉(zhuǎn)換，但是這個(gè)對(duì)象實(shí)際上并不是一個(gè)YX的對(duì)象，所以在轉(zhuǎn)換3和轉(zhuǎn)換4中，若繼續(xù)通過(guò)指針使用該對(duì)象必然會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，所以這個(gè)轉(zhuǎn)換是不安全的。
從上述的結(jié)果可以看出在向下轉(zhuǎn)型中，只有dynamic_case才能實(shí)現(xiàn)安全的向下轉(zhuǎn)型。那么dynamic_case是如何實(shí)現(xiàn)的呢?有了上面typeid和虛函數(shù)表的知識(shí)后，這個(gè)問(wèn)題并不難解釋了，以轉(zhuǎn)換1為例。
- 計(jì)算指針或引用變量所指的對(duì)象的虛函數(shù)表的type_info信息，如下：
- *(type_info*)px->vptr[-1]
- 靜態(tài)推導(dǎo)向下轉(zhuǎn)型的目標(biāo)類型的type_info信息，即獲取類XX的type_info信息
- 比較1)和2)中獲取到的type_info信息，若2)中的類型信息與1)中的類型信息相等或是其基類類型，則返回相應(yīng)的對(duì)象或子對(duì)象的地址，否則返回NULL。
引用的情況與指針稍有不同，失敗時(shí)并不是返回NULL，而是拋出一個(gè)bad_cast異常，因?yàn)橐貌荒軈⒖糔ULL。
