關(guān)于C++的RTTI

RTTI(Run-Time Type Identification)是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中一種重要的技術(shù)?，F(xiàn)行的C++標(biāo)準(zhǔn)對(duì)RTTI已經(jīng)有了明確的支持。不過在某些情況下出于特殊的開發(fā)需要，我們需要自己編碼來實(shí)現(xiàn)。本文介紹了一些關(guān)于RTTI的基礎(chǔ)知識(shí)及其原理和實(shí)現(xiàn)。
RTTI需求：

　　和很多其他語言一樣，C++是一種靜態(tài)類型語言。其數(shù)據(jù)類型是在編譯期就確定的，不能在運(yùn)行時(shí)更改。然而由于面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)中多態(tài)性的要求，C++中的指針或引用(Reference)本身的類型，可能與它實(shí)際代表(指向或引用)的類型并不一致。有時(shí)我們需要將一個(gè)多態(tài)指針轉(zhuǎn)換為其實(shí)際指向?qū)ο蟮念愋?，就需要知道運(yùn)行時(shí)的類型信息，這就產(chǎn)生了運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別的要求。

　　C++對(duì)RTTI的支持：

　　C++提供了兩個(gè)關(guān)鍵字typeid和dynamic_cast和一個(gè)type_info類來支持RTTI：

　　dynamic_cast操作符：它允許在運(yùn)行時(shí)刻進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，從而使程序能夠在一個(gè)類層次結(jié)構(gòu)安全地轉(zhuǎn)換類型。dynamic_cast提供了兩種轉(zhuǎn)換方式，把基類指針轉(zhuǎn)換成派生類指針，或者把指向基類的左值轉(zhuǎn)換成派生類的引用。見下例講述：

void company::payroll(employee *pe) {
//對(duì)指針轉(zhuǎn)換失敗，dynamic_cast返回NULL
if(programmer *pm=dynamic_cast(pe)){
pm->bonus();
}
}
void company::payroll(employee &re) {
try{
//對(duì)引用轉(zhuǎn)換失敗的話，則會(huì)以拋出異常來報(bào)告錯(cuò)誤
programmer &rm=dynamic_cast(re);
pm->bonus();
}
catch(std::bad_cast){

}
}

　　這里bonus是programmer的成員函數(shù)，基類employee不具備這個(gè)特性。所以我們必須使用安全的由基類到派生類類型轉(zhuǎn)換，識(shí)別出programmer指針。

　　typeid操作符：它指出指針或引用指向的對(duì)象的實(shí)際派生類型。

　　例如：

employee* pe=new manager;
typeid(*pe)==typeid(manager) //true
　　typeid可以用于作用于各種類型名，對(duì)象和內(nèi)置基本數(shù)據(jù)類型的實(shí)例、指針或者引用，當(dāng)作用于指針和引用將返回它實(shí)際指向?qū)ο蟮念愋托畔ⅰ?span lang=EN-US>typeid的返回是type_info類型。

　　type_info類：這個(gè)類的確切定義是與編譯器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的，下面是《C++ Primer》中給出的定義(參考資料[2]中談到編譯器必須提供的最小信息量)：

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;
};

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)：

　　實(shí)現(xiàn)的方案

　　方案一：利用多態(tài)來取得指針或應(yīng)用的實(shí)際類型信息

　　這是一個(gè)最簡單的方法，也是作者目前所采用的辦法。

　　實(shí)現(xiàn)：

enum ClassType{
UObjectClass,
URectViewClass,
UDialogClass,
……
};
class UObject{
virtual char* GetClassName() const {
return "UObject";
};
virtual ClassType TypeOfClass(){
return UObjectClass;
};
};
class UDialog{
virtual char* GetClassName() const {
return "UDialog";
};
virtual ClassType TypeOfClass(){
return UDialogClass;
};
};
　　示例：

UObject po=new UObject;
UObject pr=new URectView;
UObject pd=new UDialog;
cout << "po is a " << po->GetClassName() << endl;
cout << "pr is a " << pr->GetClassName() << endl;
cout << "pd is a " << pd->GetClassName() << endl;
cout<TypeOfClass()==UObjectClass< cout<TypeOfClass()==URectViewClass< cout<TypeOfClass()==UDialogClass< cout<TypeOfClass()==UObjectClass< cout<TypeOfClass()==UDialogClass<  
　　輸出：

po is a UObjectClass
pr is a URectViewClass
pd is a UDialogClass
true
true
true
false
false
　　這種實(shí)現(xiàn)方法也就是在基類中提供一個(gè)多態(tài)的方法，這個(gè)方法返回一個(gè)類型信息。這樣我們能夠知道一個(gè)指針?biāo)赶驅(qū)ο蟮木唧w類型，可以滿足一些簡單的要求。

　　但是很顯然，這樣的方法只實(shí)現(xiàn)了typeid的部分功能，還存在很多缺點(diǎn)：

　　1、 用戶每增加一個(gè)類必須覆蓋GetClassName和TypeOfClass兩個(gè)方法，如果忘了，會(huì)導(dǎo)致程序錯(cuò)誤。

　　2、 這里的類名和類標(biāo)識(shí)信息不足以實(shí)現(xiàn)dynamic_cast的功能，從這個(gè)意義上而言此方案根本不能稱為RTTI。

　　3、 用戶必須手工維護(hù)每個(gè)類的類名與標(biāo)識(shí)，這限制了以庫的方式提供給用戶的可能。

　　4、 用戶必須手工添加GetClassName和TypeOfClass兩個(gè)方法，使用并不方便。

　　其中上面的部分問題我們可以采用C/C++中的宏技巧(Macro Magic)來解決，這個(gè)可以在我們的最終解決方案的代碼中看到。下面采用方案二中將予以解決上述問題。
　方案二：以一個(gè)類型表來存儲(chǔ)類型信息

　　這種方法考慮使用一個(gè)類結(jié)構(gòu)，除了保留原有的整型類ID，類名字符串外，增加了一個(gè)指向基類TypeInfo成員的指針。

struct TypeInfo
{
char* className;
int type_id;
TypeInfo* pBaseClass;
operator== (const TypeInfo& info){
return this==&info;
}
operator!= (const TypeInfo& info){
return this!=&info;
}
};
　　從這里可以看到，以這種方式實(shí)現(xiàn)的RTTI不支持多重繼承。所幸多重繼承在程序設(shè)計(jì)中并非必須，而且也不推薦。下面的代碼中，我將為DP9900軟件項(xiàng)目組中類層次結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)類添加RTTI功能。DP9900項(xiàng)目中，絕大部分的類都以單繼承方式從UObject這個(gè)根類直接或間接繼承而來。這樣我們就可以從UObject開始，加入我們RTTI支持所需要的數(shù)據(jù)和方法。

class UObject
{
public:
bool IsKindOf(TypeInfo& cls); //判別某個(gè)對(duì)象是否屬于某一個(gè)類
public:
virtual int GetTypeID(){return rttiTypeInfo.type_id;}
virtual char* GetTypeName(){return rttiTypeInfo.className;}
virtual TypeInfo& GetTypeInfo(){return rttiTypeInfo;}
static TypeInfo& GetTypeInfoClass(){return rttiTypeInfo;}
private:
static TypeInfo rttiTypeInfo;
};
//依次為className、type_id、pBaseClass賦值
TypeInfo UObject::rttiTypeInfo={"UObject",0,NULL};
　　考慮從UObject將這個(gè)TypeInfo類作為每一個(gè)新增類的靜態(tài)成員，這樣一個(gè)類的所有對(duì)象將共享TypeInfo的唯一實(shí)例。我們希望能夠在程序運(yùn)行之前就為type_id,className做好初始化，并讓pBaseClass指向基類的這個(gè)TypeInfo。

　　每個(gè)類的TypeInfo成員約定使用rttiTypeInfo的命名，為了避免命名沖突，我們將其作為private成員。有了基類的支持并不夠，當(dāng)用戶需要RTTI支持，還需要自己來做一些事情：

　　1、 派生類需要從UObject繼承。

　　2、 添加rttiTypeInfo變量。

　　3、 在類外正確初始化rttiTypeInfo靜態(tài)成員。

　　4、 覆蓋GetTypeID、GetTypeName、GetTypeInfo、GetTypeInfoClass四個(gè)成員函數(shù)。

　　如下所示：

class UView:public UObject
{
public:
virtual int GetTypeID(){return rttiTypeInfo.type_id;}
virtual char* GetTypeName(){return rttiTypeInfo.className;}
virtual TypeInfo& GetTypeInfo(){return rttiTypeInfo;}
static TypeInfo& GetTypeInfoClass(){return rttiTypeInfo;}
private:
static TypeInfo rttiTypeInfo;
};
　　有了前三步，這樣我們就可以得到一個(gè)不算太復(fù)雜的鏈表――這是一棵類型信息構(gòu)成的"樹"，與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹的唯一差別就是其指針方向相反。

　　這樣，從任何一個(gè)UObject的子類，順著pBaseClass往上找，總能遍歷它的所有父類，最終到達(dá)UObject。

　　在這個(gè)鏈表的基礎(chǔ)上，要判別某個(gè)對(duì)象是否屬于某一個(gè)類就很簡單。下面給出UObject::IsKindOf()的實(shí)現(xiàn)。

bool UObject::IsKindOf(TypeInfo& cls)
{
TypeInfo* p=&(this->GetTypeInfo());
while(p!=NULL){
if(p->type_id==cls.type_id)
return true;
p=p->pBaseClass;
}
return false;
}

　　有了IsKindOf的支持，dynamic_cast的功能也就可以用一個(gè)簡單的safe_cast來實(shí)現(xiàn)：

template
inline T* safe_cast(UObject* ptr,TypeInfo& cls)
{
return (ptr->IsKindOf(cls)?(T*)ptr:NULL);
}
　　至此，我們已經(jīng)能夠從功能上完成前面的目標(biāo)了，不過用戶要使用這個(gè)類庫的RTTI功能還很麻煩，要敲入一大堆對(duì)他們毫無意義的函數(shù)代碼，要在初始化rttiTypeInfo靜態(tài)成員時(shí)手工設(shè)置類ID與類名。其實(shí)這些麻煩完全不必交給我們的用戶，適當(dāng)采用一些宏技巧(Macro Magic)，就可以讓C++的預(yù)處理器來替我們寫很多枯燥的代碼。關(guān)于宏不是本文的重點(diǎn)，你可以從最終代碼清單看到它們。下面再談?wù)勱P(guān)于類ID的問題。

　　類ID

　　為了使不同類型的對(duì)象可區(qū)分，用一個(gè)給每個(gè)TypeInfo對(duì)象一個(gè)類ID來作為比較的依據(jù)是必要的。
其實(shí)對(duì)于我們這里的需求和實(shí)現(xiàn)方法而言，其實(shí)類ID并不是必須的。每一個(gè)支持RTTI的類都包含了一個(gè)靜態(tài)TypeInfo對(duì)象，這個(gè)對(duì)象的地址就是在進(jìn)程中全局唯一。但考慮到其他一些技術(shù)如：動(dòng)態(tài)對(duì)象創(chuàng)建、對(duì)象序列化等，它們可能會(huì)要求RTTI給出一個(gè)靜態(tài)不變的ID。在本文的實(shí)現(xiàn)中，對(duì)此作了有益的嘗試。

　　首先聲明一個(gè)用來產(chǎn)生遞增類ID的全局變量。再聲明如下一個(gè)結(jié)構(gòu)，沒有數(shù)據(jù)成員，只有一個(gè)構(gòu)造函數(shù)用于初始化TypeInfo的類ID：

extern int TypeInfoOrder=0;
struct InitTypeInfo
{
InitTypeInfo(TypeInfo* info)
{
info->type_id=TypeInfoOrder++;
}
};
　　為UObject添加一個(gè)private的靜態(tài)成員及其初始化：

class UObject
{
//……
private:
static InitTypeInfo initClassInfo;
};
InitTypeInfo UObject::initClassInfo(&(UObject::rttiTypeInfo));
　　并且對(duì)每一個(gè)從UObject派生的子類也進(jìn)行同樣的添加。這樣您將看到，在C++主函數(shù)執(zhí)行前，啟動(dòng)代碼將替我們調(diào)用每一個(gè)類的initClassInfo成員的構(gòu)造函數(shù)InitTypeInf:InitTypeInfo(TypeInfo* info)，而正是這個(gè)函數(shù)替我們產(chǎn)生并設(shè)置了類ID。InitTypeInfo的構(gòu)造函數(shù)還可以替我們做其他一些有用的初始化工作，比如將所有的TypeInfo信息登錄到一個(gè)表格里，讓我們可以很方便的遍歷它。

　　但實(shí)踐與查閱資料讓我們發(fā)現(xiàn)，由于C++中對(duì)靜態(tài)成員初始化的順序沒有明確的規(guī)定，所以這樣的方式產(chǎn)生出來的類ID并非完全靜態(tài)，換一個(gè)編譯器編譯執(zhí)行產(chǎn)生的結(jié)果可能完全不同。

　　還有一個(gè)可以考慮的方案是采用某種無沖突HASH算法，將類名轉(zhuǎn)換成為一個(gè)唯一整數(shù)。使用標(biāo)準(zhǔn)CRC32算法從類型名計(jì)算出一個(gè)整數(shù)作為類ID也許是個(gè)不錯(cuò)的想法[3]。

　　程序清單

// URtti.h
#ifndef __URTTI_H__
#define __URTTI_H__

class UObject;

struct TypeInfo
{
char* className;
int type_id;
TypeInfo* pBaseClass;
operator== (const TypeInfo& info){
return this==&info;
}
operator!= (const TypeInfo& info){
return this!=&info;
}
};

inline std::ostream& operator<< (std::ostream& os,TypeInfo& info)
{
return (os<< "[" << &info << "]" << "\t"
<< info.type_id << ":"
<< info.className << ":"
<< info.pBaseClass << std::endl);
}

extern int TypeInfoOrder;

struct InitTypeInfo
{
InitTypeInfo(/*TypeInfo* base,*/TypeInfo* info)
{
info->type_id=TypeInfoOrder++;
}
};

#define TYPEINFO_OF_CLASS(class_name) (class_name::GetTypeInfoClass())
#define TYPEINFO_OF_OBJ(obj_name) (obj_name.GetTypeInfo())
#define TYPEINFO_OF_PTR(ptr_name) (ptr_name->GetTypeInfo())

#define DECLARE_TYPEINFO(class_name) public: virtual int GetTypeID(){return TYPEINFO_MEMBER(class_name).type_id;} virtual char* GetTypeName(){return TYPEINFO_MEMBER(class_name).className;} virtual TypeInfo& GetTypeInfo(){return TYPEINFO_MEMBER(class_name);} static TypeInfo& GetTypeInfoClass(){return TYPEINFO_MEMBER(class_name);} private: static TypeInfo TYPEINFO_MEMBER(class_name); static InitTypeInfo initClassInfo;
#define IMPLEMENT_TYPEINFO(class_name,base_name) TypeInfo class_name::TYPEINFO_MEMBER(class_name)= {#class_name,0,&(base_name::GetTypeInfoClass())}; InitTypeInfo class_name::initClassInfo(&(class_name::TYPEINFO_MEMBER(class_name)));

#define DYNAMIC_CAST(object_ptr,class_name) safe_cast(object_ptr,TYPEINFO_OF_CLASS(class_name))

#define TYPEINFO_MEMBER(class_name) rttiTypeInfo

class UObject
{
public:
bool IsKindOf(TypeInfo& cls);
public:
virtual int GetTypeID(){return TYPEINFO_MEMBER(UObject).type_id;}
virtual char* GetTypeName(){return TYPEINFO_MEMBER(UObject).className;}
virtual TypeInfo& GetTypeInfo(){return TYPEINFO_MEMBER(UObject);}
static TypeInfo& GetTypeInfoClass(){return TYPEINFO_MEMBER(UObject);}
private:
static TypeInfo TYPEINFO_MEMBER(UObject);
static InitTypeInfo initClassInfo;
};

template
inline T* safe_cast(UObject* ptr,TypeInfo& cls)
{
return (ptr->IsKindOf(cls)?(T*)ptr:NULL);
}
#endif
// URtti.cpp
＃i nclude "urtti.h"

extern int TypeInfoOrder=0;

TypeInfo UObject::TYPEINFO_MEMBER(UObject)={"UObject",0,NULL};
InitTypeInfo UObject::initClassInfo(&(UObject::TYPEINFO_MEMBER(UObject)));

bool UObject::IsKindOf(TypeInfo& cls)
{
TypeInfo* p=&(this->GetTypeInfo());
while(p!=NULL){
if(p->type_id==cls.type_id)
return true;
p=p->pBaseClass;
}
return false;
}
// mail.cpp
＃i nclude
＃i nclude "urtti.h"
using namespace std;

class UView:public UObject
{
DECLARE_TYPEINFO(UView)
};
IMPLEMENT_TYPEINFO(UView,UObject)

class UGraph:public UObject
{
DECLARE_TYPEINFO(UGraph)
};
IMPLEMENT_TYPEINFO(UGraph,UObject)

void main()
{
UObject* po=new UObject;
UView* pv=new UView;
UObject* pg=new UGraph;
if(DYNAMIC_CAST(po,UView))
cout << "po => UView succeed" << std::endl;
else
cout << "po => UView failed" << std::endl;
if(DYNAMIC_CAST(pv,UView))
cout << "pv => UView succeed" << std::endl;
else
cout << "pv => UView failed" << std::endl;
if(DYNAMIC_CAST(po,UGraph))
cout << "po => UGraph succeed" << std::endl;
else
cout << "po => UGraph failed" << std::endl;
if(DYNAMIC_CAST(pg,UGraph))
cout << "pg => UGraph succeed" << std::endl;
else
cout << "pg => UGraph failed" << std::endl;
}
　　實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　本文實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)宏來支持RTTI，它們的使用方法都可以在上面的代碼中找到：
　　

宏函數(shù) 功能及參數(shù)說明
DECLARE_TYPEINFO(class_name)  為類添加RTTI功能放在類聲明的起始位置
IMPLEMENT_TYPEINFO(class_name,base) 同上，放在類定義任何位置
TYPEINFO_OF_CLASS(class_name) 相當(dāng)于typeid(類名)
TYPEINFO_OF_OBJ(obj_name) 相當(dāng)于typeid(對(duì)象)
TYPEINFO_OF_PTR(ptr_name) 相當(dāng)于typeid(指針)
DYNAMIC_CAST(object_ptr,class_name) 相當(dāng)于dynamic_castobject_ptr
性能測試

　　測試代碼：

　　這里使用相同次數(shù)的DYNAMIC_CAST和dynamic_cast進(jìn)行對(duì)比測試，在VC6.0下編譯運(yùn)行，使用默認(rèn)的Release編譯配置選項(xiàng)。為了避免編譯器優(yōu)化導(dǎo)致的不公平測試結(jié)果，我在循環(huán)中加入了無意義的計(jì)數(shù)操作。

void main()
{
UObject* po=new UObject;
UView* pv=new UView;
UObject* pg=new UGraph;
int a,b,c,d;
a=b=c=d=0;
const int times=30000000;
cerr << "時(shí)間測試輸出：" << endl;
cerr << "start my DYNAMIC_CAST at: " << time(NULL) << endl;
for(int i=0;i if(DYNAMIC_CAST(po,UView)) a++; else a--;
if(DYNAMIC_CAST(pv,UView)) b++; else b--;
if(DYNAMIC_CAST(po,UGraph)) c++; else c--;
if(DYNAMIC_CAST(pg,UGraph)) d++; else d--;
}
cerr << "end my DYNAMIC_CAST at: " << time(NULL) << endl;
cerr << "start c++ dynamic_cast at: " << time(NULL) << endl;
for(i=0;i if(dynamic_cast(po)) a++; else a--;
if(dynamic_cast(pv)) b++; else b--;
if(dynamic_cast(po)) c++; else c--;
if(dynamic_cast(pg)) d++; else d--;
}
cerr << "end c++ dynamic_cast at: " << time(NULL) << endl;
cerr << a << b << c << d << endl;
}
　　運(yùn)行結(jié)果：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512140
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512145
start c++ dynamic_cast at: 1021512145
end c++ dynamic_cast at: 1021512160
　　這是上述條件下的測試輸出，我們可以看到，本文實(shí)現(xiàn)的這個(gè)精簡RTTI方案運(yùn)行DYNAMIC_CAST的時(shí)間開銷只有dynamic_cast的1/3。為了得到更全面的數(shù)據(jù)，還進(jìn)行了DEBUG編譯配置選項(xiàng)下的測試。

　　輸出：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512041
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512044
start c++ dynamic_cast at: 1021512044
end c++ dynamic_cast at: 1021512059
　　這種情況下DYNAMIC_CAST運(yùn)行速度要比dynamic_cast慢一倍左右。如果在Release編譯配置選項(xiàng)下將UObject::IsKindOf方法改成如下inline函數(shù)，我們將得到更讓人興奮的結(jié)果（DYNAMIC_CAST運(yùn)行時(shí)間只有dynamic_cast的1/5）。

inline bool UObject::IsKindOf(TypeInfo& cls)
{
for(TypeInfo* p=&(this->GetTypeInfo());p!=NULL;p=p->pBaseClass)
if(p==&cls) return true;
return false;
}
　　輸出：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512041
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512044
start c++ dynamic_cast at: 1021512044
end c++ dynamic_cast at: 1021512059
　　結(jié)論：

　　由本文的實(shí)踐可以得出結(jié)論，自己動(dòng)手編碼實(shí)現(xiàn)RTTI是簡單可行的。這樣的實(shí)現(xiàn)可以在編譯器優(yōu)秀的代碼優(yōu)化中表現(xiàn)出比dynamic_cast更好的性能，而且沒有帶來過多的存儲(chǔ)開銷。本文的RTTI以性能為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，在實(shí)現(xiàn)上一定程度上受到了MFC的影響。適于嵌入式環(huán)境。