C++ 的 RTTI 观念和用途
注：这是个人觉得讲RTTI最透彻的文章，台湾“物泽‧C++应用小组”写的，比较老了，不过价值依然很大
自从1993年Bjarne Stroustrup 〔注1 〕提出有关C++ 的RTTI功能之建议﹐以及C++ 的例外处理(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﹐标头档(header file) 含有类别之定义(class definition)亦即包含有关类别的结构资料(representational information)。但是﹐这些资料只供编译器(compiler)使用﹐编译完毕后并未留下来﹐所以在执行时期(at run-time) ﹐无法得知对象的类别资料﹐包括类别名称、资料成员名称与型态、函数名称与型态等等。例如﹐两个类别﹐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别资料﹐就有困难了。同样欲得知q 所参考(reference) 对象的类别资料﹐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型态时﹐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﹕
●类别识别(class identification)──包括类别名称或ID。
●继承关系(inheritance relationship)──支持执行时期的「往下变换型态」(downward casting)﹐亦即动态转型态(dynamic casting) 。
在对象数据库存取上﹐还需要下述RTTI﹕
●对象结构(object layout) ──包括属性的型态、名称及其位置（position或offset）。
●成员函数表(table of functions)──包括函数的型态、名称、及其参数型态等。
其目的是协助对象的I/O 和永存(persistence) ﹐也提供侦错讯息等。
若依照Bjarne Stroustrup 之建议〔注1 〕﹐C++ 还应包括更完整的RTTI﹕
●能得知类别所诞生的各对象 。
●能参考到函数的原始码。
●能取得类别的有关线上说明(on-line documentation) 。
其实这些都是C++ 编绎完成时﹐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-selection)方法﹐而不使用虚拟函数(virtual function)方法。
虽然这两种方法皆能达到多型化(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﹐使用虚拟函数方法则可合乎这个原则， 请看下图﹕
Circle和Square皆是由Figure所衍生出来的子类别﹐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类别体系的结构具有紧密的相关性。当Figure类别体系再衍生出子类别时﹐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拟函数来支持drawing() 函数的多型性。于是程序员将draw()宣告为虚拟函数﹐并写drawing() 如下﹕
void drawing(Figure *p)
{ p->draw(); }
如此﹐Figure类别体系能随时衍生类别﹐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类别体系的扩充而变动。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﹕例外处理(exceptions handling)、动态转型态(dynamic casting) 、模块整合、以及对象I/O 。
1.例外处理── 大家所熟悉的C++ 新功能﹕例外处理﹐其需要RTTI﹐如类别名称等。
2.动态转型态── 在类别体系(class hierarchy) 中﹐往下的型态转换需要类别继承的RTTI。
3.模块整合── 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──在原始程序中把对方对象之类别定义（即存在标头档里）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别定义资料﹐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别名称﹐也必须知道各内含小对象之所属类别﹐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﹕
●由类别库提供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。
●由原始程序产生器(code generator)提供──例如Bellvobr系统。
●由OO数据库的特殊前置处理器(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﹐例如提供类别的名称或识别(TypeID)。最常见的方法是﹕为类别体系定义些虚拟函数如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data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; }
};
虚拟函数Type_na() 提供类别名称之RTTI﹐而Isa() 则提供继承之RTTI﹐用来支持「动态转型态」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来判断出这转型态是不对的。
类别库提供RTTI
由类别库提供RTTI是最常见的﹐例如Visual C++的MFC 类别库内有个CRuntimeClass 类别﹐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 类别吧﹗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别的名称。Visual C++的类别库仅提供些较简单的RTTI──类别名称、对象大小及父类别等。至于其它常用的RTTI如──数据项的型态及位置(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
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﹐其类别名称是Square。再看看如何使用dynamic_cast
Figure *f; Square *s;
f = new Rectangle();
s = dynamic_cast
if(!s)
cout << "dynamic casting error!!" << endl;
在执行时﹐发现f 是不能转为Square *型态的。如下指令﹕
Figure *f; Rectangle *r;
f = new Square();
r = dynamic_cast
if(r) r->Display();
这种型态转换是对的。
RTTI与虚拟函数表
在C++ 程序中﹐若类别含有虚拟函数﹐则该类别会有个虚拟函数表（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：
由于该类别所诞生之各对象﹐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﹐大多依赖类别库来支持﹐但各类别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型态、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++ Conference, Portland, 1993.
[注2] Meyer B.,Object-Oriented Software Construction, Prentice Hall, 1988.█
图1