【深度C++】之“运行时类型识别RTTI”

0. 什么是RTTI

运行时类型识别（run-time type identification, RTTI） 功能可以获得某类型在运行时的具体动态类型，进而使用该类型的功能。

动态类型指的是程序在运行时才可知的类型，与静态类型相对应。

静态类型指的是编译时已知的类型。

出现静态类型和动态类型定义的原因主要是面向对象的多态。

当我们使用父类的指针或引用指向或引用子类对象时，表面上看使用的都是父类的函数，实际上在程序运行后调用的却是子类的函数（前提是该函数声明为虚函数并且在子类中重写）。

RTTI主要解决的问题，就是当我们已知一个父类的指针或引用指向或引用子类对象，却想使用子类中的某函数的情况。

首先我们声明两个具有继承关系的类，之后的讲解会复用：

class Base {
public:
    virtual ~Base() {
        cout << "Base Destructor" << endl;
    }
    virtual void func() {
        cout << "Base func" << endl;
    }
};

// 公有继承，有虚函数
class Derived : public Base {
public:
    ~Derived() {
        cout << "Derived Destructor" << endl;
    }
    void func() override {
        cout << "Derived func" << endl;
    }
};

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1. 与RTTI相关的两个运算符

使用以下两个运算符，可以实现RTTI。

1. typeid
2. dynamic_cast

1.1 typeid

typeid使用起来，和decltype差不多。不过decltype返回的是静态类型，typeid可以返回动态类型。

1.1.1 使用方法

typeid(expr)

expr可以是任意表达式或类型名，返回的结果是某类型的常量对象的引用，这个类型会在第2节介绍。

注意：

1. 当expr不是类类型或不包含虚函数时，返回expr的静态类型
2. 当expr是包含了虚函数的类的左值时，在程序运行时才会得到结果，即动态类型
3. typeid会忽略顶层const
4. typeid + 引用，返回引用源类型
5. typeid + 数组，返回数组类型
6. typeid + 函数名，返回函数类型

1.1.2 示例

Derived *derived_ptr = new Derived();
Base *base_ptr = derived_ptr;
// 二者指向同一个对象

if (typeid(*base_ptr) == typeid(*derived_ptr)) {
    cout << "二者动态类型相同" << endl;
}

if (typeid(*base_ptr) == typeid(Derived)) {
    cout << "base_ptr指向对象的动态类型与Derived相同" << endl;
}

注意：

1. 指针前面添加了解引用运算符*，否则将得到指针的类型。

1.1.3 typeid可能会求值

decltype是不会对表达式进行求值的，且结果都是编译时已知的。

但是typeid不同，当类型含有虚函数时，typeid会去求表达式expr的值。

这是很重要的区别。

还有一个区别就是decltype会保留顶层const，typeid不会。

1.1.4 空指针

typeid + 空指针会抛出bad_typeid异常。

1.2 dynamic_cast

回想类型转换，dynamic_cast的职责主要在具有继承关系的父类与子类之间。

1.2.1 使用方法

dynamic_cast主要有3种形式：

1. dynamic_cast<type *>(expr)   // 指针
2. dynamic_cast<type &>(expr)   // 左值引用
3. dynamic_cast<type &&>(expr)  // 右值引用

3种形式中所有的type必须是类类型 且应该 含有虚函数。

3种形式对应的硬性要求分别是：

1. 指针必须有效
2. expr必须是左值
3. expr不能是左值

满足任一以下条件，转换成功：

1. expr是type类型的公有派生类
2. expr是type类型的公有基类
3. expr是type类型本身

否则转换失败。

失败时：

1. 指针返回0
2. 引用抛出bad_cast异常

使用dynamic_cast最好进行if判断和异常获取，如下面的指针和引用的例子。

1.2.2 指针

Derived d;
Base *base_ptr = &d;
if (Derived *derived_ptr = dynamic_cast<Derived *>(base_ptr)) {
    cout << "cast succeed" << endl;
    derived_ptr->func();
} else {
    cout << "cast failed" << endl;
    base_ptr->func();
}

程序将会输出cast succeed。

1.2.3 引用

Derived d;
Base &base_ref = d;
try {
    auto &derived_ref = dynamic_cast<Derived &>(base_ref);
    cout << "cast succeed" << endl;
    derived_ref.func();
} catch (bad_cast) {
    cout << "cast failed" << endl;
    base_ref.func();
}

程序将会输出cast succeed。

1.2.4 不会取消const

转换过程中会保留expr的const信息，例如：

Derived d;
// 与上面示例不一样
const Base &base_ref = d;
try {
    // ERROR: 编译不能通过
    auto &derived_ref = dynamic_cast<Derived &>(base_ref);
    cout << "cast succeed" << endl;
    derived_ref.func();
} catch (bad_cast) {
    cout << "cast failed" << endl;
    base_ref.func();
}

编译报错。

指针同理，如果指针具有底层const，则会报错。

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2. type_info类

typeid求值的结果，就是type_info类。

type_info类定义在头文件typeinfo中，它的特点是：

1. 没有默认构造函数
2. 拷贝系、移动系及赋值运算符都为delete
3. 有一个虚析构函数
4. 可以继承

2.1 唯一创建途径

唯一创建type_info类的途径就是使用typeid运算符。

2.2 类的功能

type_info类的精确定义，随着编译器不同略有差异。

C++标准规定必须提供4个操作：

1. 可以判断==
2. 可以判断!=
3. 返回C风格字符串的函数name()
4. 返回bool的before()

bool a = true;
short b = 10;
int c = 10;
long d = 10;
long long e = 10;
char f = 'c';
float g = 1.0;
double h = 1.0;
long double i = 1.0;

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *ic = &c;
int &rc = c;

Derived der;
Base &base_ref = der;

cout << "       bool 类型type_info的name: " << typeid(a).name() << '\n'
     << "      short 类型type_info的name: " << typeid(b).name() << '\n'
     << "        int 类型type_info的name: " << typeid(c).name() << '\n'
     << "       long 类型type_info的name: " << typeid(d).name() << '\n'
     << "  long long 类型type_info的name: " << typeid(e).name() << '\n'
     << "       char 类型type_info的name: " << typeid(f).name() << '\n'
     << "      float 类型type_info的name: " << typeid(g).name() << '\n'
     << "     double 类型type_info的name: " << typeid(h).name() << '\n'
     << "long double 类型type_info的name: " << typeid(i).name() << '\n'

     << "    int数组 类型type_info的name: " << typeid(arr).name() << '\n'
     << "    int指针 类型type_info的name: " << typeid(ic).name() << '\n'
     << "    int引用 类型type_info的name: " << typeid(rc).name() << '\n'
     << "       子类 类型type_info的name: " << typeid(der).name() << '\n'
     << "     运行时 类型type_info的name: " << typeid(base_ref).name() << endl;

输出：

环境：

1. 操作系统：MacOS 10.15.5, 64bit
2. 编译器：Apple clang version 11.0.3 (clang-1103.0.32.29)
3. IDE：CLion 2020, built on April 9, 2020

3. 总结

运行时类型识别RTTI主要由两个运算符实现：typeid和dynamic_cast。

主要解决的问题是多态带来的无法使用动态类型的问题。