关于C++中RTTI的编码实现

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。　　

RTTI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和一个type_info类来支持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; };
实现目标： 

  实现的方案 

  方案一：利用多态来取得指针或应用的实际类型信息 

  这是一个最简单的方法，也是作者目前所采用的办法。 

  实现：
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<< td>

输出：

po is a UObjectClass pr is a URectViewClass pd is a UDialogClass true true true false false

这种实现方法也就是在基类中提供一个多态的方法，这个方法返回一个类型信息。这样我们能够知道一个指针所指向对象的具体类型，可以满足一些简单的要求。

但是很显然，这样的方法只实现了typeid的部分功能，还存在很多缺点：

　　1、 用户每增加一个类必须覆盖GetClassName和TypeOfClass两个方法，如果忘了，会导致程序错误。

　　2、 这里的类名和类标识信息不足以实现dynamic_cast的功能，从这个意义上而言此方案根本不能称为RTTI。

　　3、 用户必须手工维护每个类的类名与标识，这限制了以库的方式提供给用户的可能。

　　4、 用户必须手工添加GetClassName和TypeOfClass两个方法，使用并不方便。

其中上面的部分问题我们可以采用C/C++中的宏技巧(Macro Magic)来解决，这个可以在我们的最终解决方案的代码中看到。下面采用方案二中将予以解决上述问题。 方案二：以一个类型表来存储类型信息

这种方法考虑使用一个类结构，除了保留原有的整型类ID，类名字符串外，增加了一个指向基类TypeInfo成员的指针。

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

从这里可以看到，以这种方式实现的RTTI不支持多重继承。所幸多重继承在程序设计中并非必须，而且也不推荐。下面的代码中，我将为DP9900软件项目组中类层次结构中的几个类添加RTTI功能。DP9900项目中，绝大部分的类都以单继承方式从UObject这个根类直接或间接继承而来。这样我们就可以从UObject开始，加入我们RTTI支持所需要的数据和方法。

class UObject { public: bool IsKindOf(TypeInfo& cls); //判别某个对象是否属于某一个类 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; }; //依次为className、type_id、pBaseClass赋值 TypeInfo UObject::rttiTypeInfo={"UObject",0,NULL};

考虑从UObject将这个TypeInfo类作为每一个新增类的静态成员，这样一个类的所有对象将共享TypeInfo的唯一实例。我们希望能够在程序运行之前就为type_id,className做好初始化，并让pBaseClass指向基类的这个TypeInfo。

每个类的TypeInfo成员约定使用rttiTypeInfo的命名，为了避免命名冲突，我们将其作为private成员。有了基类的支持并不够，当用户需要RTTI支持，还需要自己来做一些事情：

　　1、 派生类需要从UObject继承。

　　2、 添加rttiTypeInfo变量。

　　3、 在类外正确初始化rttiTypeInfo静态成员。

　　4、 覆盖GetTypeID、GetTypeName、GetTypeInfo、GetTypeInfoClass四个成员函数。

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，这样我们就可以得到一个不算太复杂的链表――这是一棵类型信息构成的"树"，与数据结构中的树的唯一差别就是其指针方向相反。

这样，从任何一个UObject的子类，顺着pBaseClass往上找，总能遍历它的所有父类，最终到达UObject。

在这个链表的基础上，要判别某个对象是否属于某一个类就很简单。下面给出UObject::IsKindOf()的实现。

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个简单的safe_cast来实现：

template inline T* safe_cast(UObject* ptr,TypeInfo& cls) { return (ptr->IsKindOf(cls)?(T*)ptr:NULL); }
并且对每一个从UObject派生的子类也进行同样的添加。这样您将看到，在C++主函数执行前，启动代码将替我们调用每一个类的 initClassInfo成员的构造函数InitTypeInfo::InitTypeInfo(TypeInfo* info)，而正是这个函数替我们产生并设置了类ID。InitTypeInfo的构造函数还可以替我们做其他一些有用的初始化工作，比如将所有的 TypeInfo信息登录到一个表格里，让我们可以很方便的遍历它。 

  但实践与查阅资料让我们发现，由于C++中对静态成员初始化的顺序没有明确的规定，所以这样的方式产生出来的类ID并非完全静态，换一个编译器编译执行产生的结果可能完全不同。 

  还有一个可以考虑的方案是采用某种无冲突HASH算法，将类名转换成为一个唯一整数。使用标准CRC32算法从类型名计算出一个整数作为类ID也许是个不错的想法[3]。 

  程序清单
// 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 #include "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 #include #include "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; }