C++ RTTI

1. 背景

RTTI的英文全称是"Runtime Type Identification"，中文称为"运行时类型识别"，它指的是程序在运行的时候才确定需要用到的对象是什么类型的。用于在运行时（而不是编译时）获取有关对象的信息。

在C++中，由于存在多态行为，基类指针或者引用指向一个派生类，而其指向的真正类型，在编译阶段是无法知道的：

Base *b = new Derived;
Base &b1 = *b;

在上述代码中，如果想知道b的具体类型，只能通过其他方式，而RTTI正是为了解决此问题而诞生，也就是说在运行时，RTTI可以通过特有的方式来告诉调用方其所调用的对象具体信息，一般有如下几种：

• typeid操作符；

• type_info类；

• dynamic_cast操作符；

2. typeid 和 type_info

typeid是C++的关键字之一，等同于sizeof这类的操作符。用来获取类型、变量、表达式的类型信息，适用于C++基础类型、内置类、用户自定义类、模板类等。有如下两种形式：

• typeid(type)

• typeid(expr)

#include <cassert>
#include <iostream>
#include <typeinfo>

class Base {
public:
    virtual float f() { 
        return 1.0;
    }
  
    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base {
};

int main() {
    Base* p = new Derived;
    Base& r = *p;
    assert(typeid(p) == typeid(Base*));
    assert(typeid(p) != typeid(Derived*));
    assert(typeid(r.f()) == typeid(float));
  
    const char *name = typeid(p).name();
   
    std::cout << name << std::endl;
    return 0;
} 

typeid()会返回一个const std::type_info&对象，其中存储这对象的基本信息，那么如果其类型对象为多态和非多态时候，其又有什么区别呢？

如果类型对象至少包含一个虚函数，那么typeid操作符的类型是运行时的事情，也就是说在运行时才能获取到其真正的类型信息；否则，在编译期就能获取其具体类型，甚至在某些情况下，可以对typeid()的结果直接进行替换。

我们知道经常用于运行时，也就是说在运行时刻才会知道其指针或者引用指向的具体类型，如果要对一个包含虚函数的对象获取其类型信息(typeid)，那么也是在运行时才能具体知道。

• 对于存在虚函数的类来说，其对象的typeinfo信息存储在该类的虚函数表中。在运行时刻，根据指针的实际指向，获取其typeinfo()信息，从而进行相关操作。

• 在编译期，编译器已经知道了对象的具体信息，进而可以在某些情况下，直接由编译器进行替换(比如typeinf().name()操作等)。

3. dynamic_cast

对于dynamic_cast，如果操作失败了会有什么行为？

• 对于指针类型转换，如果失败，则返回NULL，而对于引用，转换失败就抛出bad_cast。

作为C++开发人员，基本都知道dynamic_cast是C++中几个常用的类型转换符之一，其通过类型信息(typeinfo)进行相对安全的类型转换，在转换时，会检查转换的src对象是否真的可以转换成dst类型。dynamic_cast转换符只能用于含有虚函数的类，因此其常常用于运行期，对于不包括虚函数的类，完全可以使用其它几个转换符在编译期进行转换。通常来说，其类型转换分为向上转换和向下转换两种。

3.1 dynamic_cast 向上转换

dynamic_cast操作中，向上转换是静态操作，在编译阶段完成。在汇编代码中，没有外部函数调用(__dynamic_cast)，而仅仅是一些常用的跳转和比较指令。

3.2 dynamic_cast 向下转换

向下转换则需要调用__dynamic_cast函数：

__dynamic_cast (const void *src_ptr,    // src_ptr代表需要转换的指针
                const __class_type_info *src_type, // src_type原始类型
                const __class_type_info *dst_type, // dst_type目标类型
                ptrdiff_t src2dst)      // src2dst表示从dst到src的偏移量

这个函数先通过src_ptr来初始化部分局部变量:

• vtable 通过对src_ptr解引用(deref)获取

• vtable_prefix 子对象虚函数表地址，通过vtable的类型信息和offset_to_top来获取

• whole_ptr src_ptr最底层的派生类地址，一般为src_ptr的值加上offset_to_top

• whole_type src_ptr最底层的派生类的虚函数表中的类型信息(type info)

• whole_vtable whole对象的虚函数表地址

然后调用whole_type->__do_dyncast，而这也是该函数的核心模块。然后根据返回值的内容来判断结果，并进行相应的操作。

dynamic_cast的过程就是遍历图结构确定路径关系的过程，采用的是深度优先搜索。