C++ 宏、范型和RTTI 浅析

【摘要】
       RTTI(Run-Time Type Identification)是面向对象程序设计中一种重要的技术。现行的C++标准对RTTI已经有了明确的支持。不过在某些情况下出于特殊的开发需要，我们需要自己编码来实现。本文介绍了一些关于RTTI的基础知识及其原理和实现，并分析比较三者是线上的差异与联系。

【正文】

RTTI 的需求

       和很多其他语言一样，C++是一种静态类型语言。其数据类型是在编译期就确定的，不能在运行时更改。然而由于面向对象程序设计中多态性的要求，C++中的指针或引用(Reference)本身的类型，可能与它实际代表(指向或引用)的类型并不一致。有时我们需要将一个多态指针转换为其实际指向对象的类型，就需要知道运行时的类型信息，这就产生了运行时类型识别的要求。
C++对RTTI的支持

     C++提供了两个关键字typeid和dynamic_cast，一个类type_info来支持RTTI。

     dynamic_cast操作符：它允许在运行时刻进行类型转换，从而使程序能够在一个类层次结构安全地转换类型。dynamic_cast提供了两种转换方式，把基类指针转换成派生类指针，或者把指向基类的左值转换成派生类的引用。见下例讲述：

void company::payroll(employee *pe) {
//对指针转换失败，dynamic_cast返回NULL
if(programmer *pm=dynamic_cast(pe)){
pm->bonus(); 
}
}

void company::payroll(employee &re) {
try{
//对引用转换失败的话，则会以抛出异常来报告错误
programmer &rm=dynamic_cast(re);
pm->bonus();
}
catch(std::bad_cast){
}
}

         这里bonus是programmer的成员函数，基类employee不具备这个特性。所以我们必须使用安全的由基类到派生类类型转换，识别出programmer指针。
      typeid操作符：它指出指针或引用指向的对象的实际派生类型。
       例如：

employee* pe=new manager;
typeid(*pe)==typeid(manager) //true 

       typeid可以用于作用于各种类型名，对象和内置基本数据类型的实例、指针或者引用，当作用于指针和引用将返回它实际指向对象的类型信息。typeid的返回是type_info类型。
       type_info类：这个类的确切定义是与编译器实现相关的，下面是《C++ Primer》中给出的定义(参考资料[2]中谈到编译器必须提供的最小信息量)：

class type_info {
private:
type_info(const type_info&);
type_info& operator=( const type_info& );
public:
virtual ~type_info();
int operator==( const type_info& ) const;
int operator!=( const type_info& ) const;
const char* name() const;
};

详见：http://bbs.csdn.net/topics/40414128

三者比较：

宏可以在编译前用字符替换的办法展开，减轻程序员重复编码的工作量。

c++的范型（模版）也是在编译时确定最终的程序样式，他用的办法是编译时确定类型信息。

RTTI是运行期类型信息，可以在运行时得到对象的类型信息。

我们考察一个程序，为了说明问题，我特意找了一个简单的程序，这个程序比较a和b，如果a大于b就交换他们。但是，a、b的类型并不确定可能是字符串也可能是整数还可能是复数。为了简洁和不至于造成过的混淆，我不使用操作符重载，假定任何操作都是基于对象方法的，为了完成这个函数，a、b必须支持compare（比较）和swape（交换）方法。

我们不清楚a、b的类型，如果有3种类型我们就必须写3个函数吗？那太累人了。我们用宏来定义这个函数好了。
#define exchange(a,b) if(a.compare(b))a.swape(b);
这样我们在使用的时候就可以直接使用exchange宏来表达这个函数，而且可以适应各种类型，只要他们都支持这两个函数就可以。

我们还可以用范型来实现这个函数
template<typename T>
void exchange(T &a, T &b)
{
  if(a.compare(b))a.swape(b)
}
我们同样达到了目的。

如果编译器支持丰富的RTTI，我们还可以用脚本语言的方式来实现他们。
exchange(a, b)
{
  if(a.compare(b))a.swape(b);
}

上面三种方式差别在哪里呢？
第一种，使用字符替换的方式，在编译前展开宏，使之成为程序中的一段代码。
第二种，在编译时，确定调用函数的参数的类型，并自动生成一个这个类型的临时函数。
第三种，在运行时根据参数的类型确定是否能够执行这段程序。
前2种都是在编译时确认的，第三种是在运行时确定的。
在程序设计中有着大量的重复代码，我们需要一种方法来提高效率，但是为什么看着结构类似的程序需要重复代码呢？最重要的原因是，传统的程序中实体（函数、变量、属性等等）在编译时都需要内存中一块确定的地址（或者相对基址的偏移）来指代，这时cpu处理方式的内在要求，而这个和程序设计时按照名字引用的思维习惯是不一致的。
我们可以用宏和模版来代替手工对每个类型的特化，但是在程序中仍然是使用地址来指代实体的。实际上每个类型的特化程序依然存在，只是在程序设计外观上不可见了。
第三种方式，使用RTTI，程序中的实体都不再是确定的地址来指代，而是通过字符串名称（或者实体表）来指代，在运行时根据名称来特化。这种方法和前2个方法是本质的不同。
使用RTTI可以在很大程度上减轻宏和静态模版带来的副作用，使程序具有更加优雅的外观。
但是，C++的宏和静态模版也不是一无是处，他用在对效率更加严格场合是非常合适的。