c++中RTTI的观念和使用

c++中RTTI的观念和使用

下面这篇文章虽然有点老，但对C++的RTTI基本原理讲的比较透彻。 该文章摘自UMLCHINA网站，是台湾一个群体写的，我根据大家比较熟悉的方式，修改了一些名词的说法，如衍生（派生）等，让大家可以方便的阅读。 C++的 RTTI 观念和用途 物泽C++应用小组   自从1993年Bjarne Stroustrup 〔注1 〕提出有关C++ 的RTTI功能之建议﹐以及C++ 的异常处理(exception handling)需要RTTI﹔最近新推出的C++ 或多或少已提供RTTI。然而，若不小心使用RTTI﹐可能会导致软件弹性的降低。本文将介绍RTTI的观念和近况﹐并说明如何善用它。 什么是RTTI﹖   在C++ 环境中﹐头文件(header file) 含有类之定义(class definition)亦即包含有 关类的结构资料(representational information)。但是﹐这些资料只供编译器(compi ler)使用﹐编译完毕后并未留下来﹐所以在执行时期(at run-time) ﹐无法得知对象的 类资料﹐包括类名称、数据成员名称与类型、函数名称与类型等等。例如﹐两个类﹐其继承关系如下图： 若有如下指令﹕             Figure *p;             p = new Circle();            Figure &q = *p; 在执行时﹐p 指向一个对象﹐但欲得知此对象之类资料﹐就有困难了。同样欲得知q 所参考(reference) 对象的类资料﹐也无法得到。   RTTI(Run-Time Type Identification)就是要解决这困难﹐也就是在执行时﹐您想知 道指针所指到或参考到的对象类型时﹐该对象有能力来告诉您。   随着应用场合之不同﹐所需支持的RTTI范围也不同。最单纯的RTTI包括﹕ ●类识别(class identification)──包括类名称或ID。 ●继承关系(inheritance relationship)──支持执行时期的「往下变换类型」(downw ard casting)﹐亦即动态变换类型(dynamic casting) 。 在对象数据库存取上﹐还需要下述RTTI﹕ ●对象结构(object layout) ──包括属性的类型、名称及其位置（position或offset ）。 ●成员函数表(table of functions)──包括函数的类型、名称、及其参数类型等。 其目的是协助对象的I/O 和持久化(persistence) ﹐也提供调试讯息等。     若依照Bjarne Stroustrup 之建议〔注1 〕﹐C++ 还应包括更完整的RTTI﹕ ●能得知类所实例化的各对象 。 ●能参考到函数的源代码。 ●能取得类的有关在线说明(on-line documentation) 。 其实这些都是C++ 编译完成时﹐所丢弃的资料﹐如今只是希望寻找个途径来将之保留到执行期间。然而﹐要提供完整的RTTI﹐将会大幅提高C++ 的复杂度﹗ RTTI可能伴随的副作用   RTTI最主要的副作用是﹕程序员可能会利用RTTI来支持其「复选」(multiple-select ion)方法﹐而不使用虚函数(virtual function)方法。   虽然这两种方法皆能达到多态化(polymorphism) ﹐但使用复选方法﹐常导致违反著名的「开放╱封闭原则」(open/closed principle) 〔注2 〕。反之﹐使用虚函数方法则可合乎这个原则，  请看下图﹕      Circle和Square皆是由Figure所派生出来的子类﹐它们各有自己的draw()函数。当 C++ 提供了RTTI﹐就可写个函数如下﹕  void drawing( Figure *p )       {            if( typeid(*p).name() == "Circle" )                       ((Circle*)p)  ->  draw();            if( typeid(*p).name() == "Rectangle" )                       ((Rectangle*)p) -> draw();        }   虽然drawing() 函数也具有多型性﹐但它与Figure类体系的结构具有紧密的相关性。 当Figure类体系再派生出子类时﹐drawing() 函数的内容必须多加个if指令。因而违反 了「开放╱封闭原则」﹐如下﹕ 很显然地﹐drawing() 函数应加以修正。       想一想﹐如果C++ 并未提供RTTI﹐则程序员毫无选择必须使用虚函数来支持drawing() 函数的多型性。于是程序员将draw()宣告为虚函数﹐并写drawing() 如下﹕      void drawing(Figure *p)                  {     p->draw();      }      如此﹐Figure类体系能随时派生类﹐而不必修正drawing() 函数。亦即﹐Figure体 系有个稳定的接口(interface) ﹐drawing() 使用这接口﹐使得drawing() 函数也稳定 ﹐不会随Figure类体系的扩充而变动。这是封闭的一面。而这稳定的接口并未限制Figure体系的成长﹐这是开放的一面。因而合乎「开放╱封闭」原则﹐软件的结构会更具弹性﹐更易于随环境而不断成长。 RTTI的常见的     使用场合       一般而言﹐RTTI的常见使用场合有四﹕异常处理(exceptions handling)、动态转 类型(dynamic casting) 、模块集成、以及对象I/O 。 1.异常处理──  大家所熟悉的C++ 新功能﹕异常处理﹐其需要RTTI﹐如类名称等。 2.动态转类型──  在类体系(class hierarchy) 中﹐往下的类型转换需要类继承的RT TI。 3.模块集成──  当某个程序模块里的对象欲跟另一程序模块的对象沟通时﹐应如何得知对方的身分呢﹖知道其身分资料﹐才能呼叫其函数。一般的C++ 程序﹐常见的解决方法是──在源代码中把对方对象之类定义（即存在头文件里）包含进来﹐在编译时进行连结工作。然而﹐像目前流行的主从(Client-Server) 架构中﹐客户端(client)的模块对象﹐常需与主机端(server)的现成模块对象沟通﹐它们必须在执行时沟通﹐但又常无法一再重新编译。于是靠标头文件来提供的类定义资料﹐无助于执行时的沟通工作﹐只得依赖RTTI了。 4.对象I/O ──  C++ 程序常将其对象存入数据库﹐未来可再读取之。对象常内含其它 小对象﹐因之在存入数据库时﹐除了必须知道对象所属的类名称﹐也必须知道各内含小对象之所属类﹐才能完整地将对象存进去。储存时﹐也将这些RTTI资料连同对象内容一起存入数据库中。未来﹐读取对象时﹐可依据这些RTTI资料来分配内存空间给对象。 RTTI从那里来﹖   上述谈到RTTI的用途﹐以及其副作用。这众多争论﹐使得RTTI的标准迟迟未呈现出来。也导致各C++ 开发环境提供者﹐依其环境所需而以各种方式来支持RTTI﹐且其支持RTTI的范围也所不同。  目前常见的支持方式包括﹕ ●由类库提供RTTI──例如﹐Microsoft 公司的Visual C++环境。 ●由C++ 编译器(compiler)提供──例如﹐Borland C++ 4.5 版本。 ●由源代码产生器(code generator)提供──例如Bellvobr系统。 ●由OO数据库的特殊预处理器(preprocessor)提供──例如Poet系统。 ●由程序员自己加上去。 这些方法皆只提供简单的RTTI﹐其仅为Stroustrup先生所建议RTTI内涵的部分集合而已。相信不久的将来﹐会由C++ 编译器来提供ANSI标准的RTTI﹐但何时会订出这标准呢﹖没人晓得吧﹗ 程序员自己提供的RTTI   通常程序员自己可提供简单的RTTI﹐例如提供类的名称或识别(TypeID)。最常见的方法是﹕为类体系定义些虚函数如Type_na() 及Isa() 函数等。请先看个例子﹕  class Figure  { };  class Rectangle : public Figure   { };  class Square : public Rectangle         {    int data;             public:               Square() { data=88; }               void Display()  { cout << data << endl; }           };  void main()        {   Figure *f = new Rectangle();             Square *s = (Square *)f;             s -> Display();        } 这时s 指向Rectangle 之对象﹐而s->Display()呼叫Square::Display() ﹐将找不到da ta值。若在执行时能利用RTTI来检查之﹐就可发出错误讯息。于是﹐自行加入RTTI功能 ﹕   class Figure       {  public:              virtual char* Type_na()                            {  return "Figure";  }               virtual int Isa(char* cna)                 {  return !strcmp(cna, "Figure")? 1:0;  }       };  class Rectangle:public Figure      {   public:               virtual char* Type_na()                      {  return "Rectangle";  }               virtual int Isa(char* cna)                  {  return !strcmp(cna, "Rectangle")?                            1 : Figure::Isa(cna);                  }         static Rectangle* Dynamic_cast(Figure* fg)                  {  return fg -> Isa(Type_na())?                            (Rectangle*)fg : 0;                  }        };   class Square:public Rectangle           {    int data;        public:            Square() { data=88; }             virtual char* Type_na()                       {  return "Square";  }             virtual int Isa(char* cna)                 {  return !strcmp(cna, "Rectangle")?                            1 : Rectangle::Isa(cna);                  }         static Square* Dynamic_cast(Figure *fg)                 {  return fg->Isa(Type_na())?                            (Square*)fg : 0;                  }          void Display()  {  cout << "888" << endl;  }      }; 虚函数Type_na() 提供类名称之RTTI﹐而Isa() 则提供继承之RTTI﹐用来支持「动态转类型」函数──Dynamic_cast()。例如﹕        Figure *f  =  new Rectangle();        cout << f -> Isa("Square") << endl;        cout << f -> Isa("Figure") << endl; 这些指令可显示出﹕f 所指向之对象并非Square之对象﹐但是Figure之对象（含子孙对象）。再如﹕        Figure *f;  Square *s;        f  =  new Rectangle();        s  =  Square  ==  Dynamic_cast(f);        if(!s)            cout << "dynamic_cast error!!" << endl; 此时﹐依RTTI来判断出这转类型是不对的。 类库提供RTTI   由类库提供RTTI是最常见的﹐例如Visual C++的MFC 类库内有个CRuntimeClass 类﹐其内含简单的RTTI。请看个程序﹕         class Figure:public CObject            {                DECLARE_DYNAMIC(Figure);            };     class Rectangle : public Figure            {               DECLARE_DYNAMIC(Rectangle);            };     class Square : public Rectangle         {            DECLARE_DYNAMIC(Square);            int data;          public:            void Display()  {  cout << data << endl;  }            Square()    {  data=88;  }          };     IMPLEMENT_DYNAMIC(Figure, CObject);     IMPLEMENT_DYNAMIC(Rectangle, Figure);     IMPLEMENT_DYNAMIC(Square, Rectangle); Visual C++程序依赖这些宏(Macor) 来支持RTTI。现在就看看如何使用CRuntimeClass 类吧﹗如下﹕           CRuntimeClass *r;           Figure *f  =  new Rectangle();           r = f -> GetRuntimeClass();           cout << r -> m_psClassName << endl;      这就在执行时期得到类的名称。Visual C++的类库仅提供些较简单的RTTI──类名称、对象大小及父类等。至于其它常用的RTTI如──数据项的类型及位置(position)等皆未提供。 C++编译器提供RTTI   由C++ 语言直接提供RTTI是最方便了﹐但是因RTTI的范围随应用场合而不同﹐若C++语言提供所有的RTTI﹐将会大幅度增加C++ 的复杂度。目前﹐C++ 语言只提供简单的RTTI﹐例如Borland C++ 新增typeid()操作数以及dynamic_cast函数样版。请看个程序﹕    class Figure         {   public:                 virtual void Display();          };    class Rectangle : public Figure   { };    class Square:public Rectangle       {    int data;           public:             Square() {  data=88;  }              void Display() {  cout << data << endl;  }        }; 现在看看如何使用typeid()操作数──           Figure *f  =  new Square();           const typeinfo  ty  =  typeid(*f);           cout << ty.name() << endl; 这会告诉您﹕f 指针所指的对象﹐其类名称是Square。再看看如何使用dynamic_cast函数样版──       Figure *f;  Square *s;       f = new Rectangle();       s = dynamic_cast(f);       if(!s)           cout << "dynamic casting error!!" << endl; 在执行时﹐发现f 是不能转为Square *类型的。如下指令﹕        Figure *f;  Rectangle *r;        f = new Square();        r = dynamic_cast(f);        if(r)    r->Display(); 这种类型转换是对的。 RTTI与虚函数表 在C++ 程序中﹐若类含有虚函数﹐则该类会有个虚函数表（Virtual Function Table﹐ 简称VFT ）。为了提供RTTI﹐C++ 就将在VFT 中附加个指针﹐指向typeinfo对象﹐这对象内含RTTI资料，如下图：    由于该类所实例化之各对象﹐皆含有个指针指向VFT 表﹐因之各对象皆可取出typeinfo对象而得到RTTI。例如﹐           Figure *f1 = new Square();           Figure *f2 = new Square();           const typeinfo ty = typeid(*f2); 其中﹐typeid(*f2) 的动作是﹕ 1.取得f2所指之对象。 2.从对象取出指向VMF 之指针﹐经由此指针取得VFT 表。 3.从表中找出指向typeinfo对象之指针﹐经由此指针取得typeinfo对象。   这typeinfo对象就含有RTTI了。参考下图1，经由f1及f2两指针皆可取得typeinfo对象﹐所以   typeid(*f2) == typeid(*f1)。 总结   RTTI是C++ 的新功能。过去﹐C++ 语言来提供RTTI时﹐大多依赖类库来支持﹐但各类库使用的方法有所不同﹐使得程序的可移植性(portability) 大受影响。然而﹐目前C++ 也只提供最简单的RTTI而已﹐可预见的未来﹐当大家对RTTI的意见渐趋一致时﹐C++ 将会提供更完整的RTTI﹐包括数据项和成员函数的类型、位置(offset)等资料﹐使得C++ 程序更井然有序﹐易于维护。 参考资料 [注1]  Stroustrup B., “Run-Time Type Identification for C++”, Usenix C++ C onference, Portland, 1993. [注2] Meyer B.,Object-Oriented Software Construction, Prentice Hall, 1988.█