C++中的RTTI架构

2017年11月1日 | Oscar | C++

C++中的RTTI架构

在 C++ 中，默认提供的运行时类型信息（Run-Time Type Information, RTTI）主要有三个目的：

支持 typeid 操作符
匹配以及捕获抛出的异常（异常分配器）
实现 dynamic_cast 操作符

dynamic_cast 只关注于继承多态的相关转换操作，而 typeid 以及异常则可以对所有类型使用。抛出的异常可能是各种类型的，所以需要有运行时动态地捕获；比如抛出一个 int * 类型的异常，可以使用 const int * 来进行捕获。
RTTI 允许程序在运行期间确定一个对象的类型。

type_info

type_info 是表示为类型信息的类，其底层实际上是保存了类的字符串名字，而运行时类的字符串名称就是实现反射的核心。
通过使用 typeid 关键字可以获得指定类的 type_info 的常引用，而 type_info 为全局常量量，直到程序结束才会释放。
如果碰到需要将类型信息为 key 插入容器的情况，可以使用 type_index。type_index 已经原生支持 STL 的所有容器。

dynamic_cast

对于非继承的类型，类型信息在运行期和编译期都保持一致，甚至可以直接替换到代码中；对于继承体系中的 RTTI，多态的转型就必须要依赖于虚函数和类型结构的具体实现。
dynamic_cast 是一个实现向下转型的检查；它在运行时判断两个类型之间的转换是否有效。如果检查结果有效，就使用 static_cast 强转为指定类型指针；对于指针，检查失败就返回空指针，对于引用，检查失败抛出 bad_cast 异常。

class Base
{
public:
    virtual ~Base(void) {}
};
class D1 : public Base {};
class D2 : public Base {};

int main()
{
    Base* b = new D1;
    std::cout << "Base is D1 actually? "
        << (dynamic_cast<D1*>(b) ? "true" : "false")
        << std::endl;

    std::cout
        << "Base is D2 actually? "
        << (dynamic_cast<D2*>(b) ? "true" : "false")
        << std::endl;
    delete b;
}
// Base is D1 actually? true
// Base is D2 actually? false

RTTI架构

对于 C++ API 的实际使用不再赘述。
静态类型的信息在编译期就可以完全确定，也就不需要 RTTI 帮助。对于需要在运行时获取信息的多态类型，通常与虚表有关，但又不完全是虚表。

虚表的内存分布

C++ 的每一个类对应的虚表结构如下图所示：（没错，本文的目的就是为了放这张图）

有虚函数的类实例第一个指针为虚函数指针，它会指向定义了虚表的第一个字节位置。
虚表是只读的，而且其实虚表结构还有一个头部，称为 vtable_prefix。所以在获取类型信息的时候需要将指针前移。

vtable_prefix

下面是 gcc 在 tinfo.h 中定义的 vtable_prefix：

// Initial part of a vtable, this structure is used with offsetof, so we don't
// have to keep alignments consistent manually.
struct vtable_prefix 
{
  // Offset to most derived object.
  ptrdiff_t whole_object;
  // Pointer to most derived type_info.
  const __class_type_info *whole_type; 
  // What a class's vptr points to.
  const void *origin;               
};

whole_object 表示当前指针指向对象的偏移量。通常为0，但指针指向的是多继承的非第一个类的地址时，则为一个负数，表示偏移多少字节。
whole_type 指向 C++ 的挤成类型：class（基类）、si_class（单一继承类型）、vmi_class（多重或虚拟继承类型）
origin 表示虚函数表的入口，等于实例的虚指针。origin 在这里的作用是 offsetof，反向获取 whole_object 的指针。

  const vtable_prefix *prefix =
      adjust_pointer <vtable_prefix> (vtable, 
                      -offsetof (vtable_prefix, origin));

关于各种继承模式下的内存分布不再赘述，搜索即可得到。

type_info就是 RTTI 存储信息的地方。多重继承的类虽然有多个虚表指针，但是仍然只会有一个 type_info 指针，也就保证除了菱形继承，所有的 dynamic_cast 都可以成功。甚至是，由中部指针推导出兄弟类型的指针。