C++中RTTI与dynamic_cast

阳光穿透心脏的1/2处 2022-07-14 13:29 189阅读 0赞

**前言**：  
最近看了好些个关于C/C++类的书籍，其中几乎每本都会提到C++的类型强转，然后每本书讲的深浅不一，其中《编写高质量C/C++代码的 150个建议》其中有一段对dynamic\_cast的举例说明中出现了陈述错误，可能是作者的失误，将static\_cast和dynamic\_cast的情况说反了，但是这让原本以为对dynamic\_cast还算了解我，瞬间懵逼，难道我原来是记错了？ 遂百度求证之，结果证明我还是对的，哈哈，然后再林锐的《高质量C++/C编程指南》第二版一书中，对类型转换进行了更深入的讲解，而且此书中对RTTI的讲解也是让我茅塞顿开，下面我就细细道来！

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**<一>C++的显示类型转换**

这个首先，我觉得我们还是得从类型转换讲起；  
（既然有显示那么也是有隐式的，不过这里不对隐式转换赘述；）

1.1>四种类型转换**运算符**  
**static\_cast**  
static\_cast的转换格式：static\_cast (expression)

将expression转换为type-id类型，主要用于非多态类型之间的转换，不  
提供运行时的检查来确保转换的安全性。主要在以下几种场合中使用：

1.用于类层次结构中，基类和子类之间指针和引用的转换；  
当进行上行转换，也就是把子类的指针或引用转换成父类表示，这种转换是安全的；当进行下行转换，也就是把父类的指针或引用转换成子类表示，这种转换是不安全的，也需要程序员来保证；

2.用于基本数据类型之间的转换，如把int转换成char，把int转换成enum等等，这种转换的安全性需要程序员来保证；

3.把void指针转换成目标类型的指针，是及其不安全的；  
注：static\_cast不能转换掉expression的const、volatile和\_\_unaligned属性。

**dynamic\_cast**  
dynamic\_cast的转换格式：dynamic\_cast (expression)

将expression转换为type-id类型，type-id必须是类的指针、类的引用或者是void \*；如果type-id是指针类型，那么expression也必须是一个指针；如果type-id是一个引用，那么expression也必须是一个引用。

dynamic\_cast主要用于类层次间的上行转换和下行转换，还可以用于类之间的交叉转换。在类层次间进行上行转换时，dynamic\_cast和static\_cast的效果是一样的；在进行下行转换时，dynamic\_cast具有类型检查的功能，比static\_cast更安全。在多态类型之间的转换主要使用dynamic\_cast，因为类型提供了运行时信息；

《引自百度百科》  
const\_cast ：去除对象的const和volatile属性；  
reinterpret\_cast：允许将任何指针类型转换为其它的指针类型（慎用！！！）

const\_cast和reinterpret\_cast 不做赘述~

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**<二> 细说dynamic\_cast**  
2.1 多态  
多态这个真的是C++最难理解的内容之一了；我不敢保证我可以把多态讲清楚，但是这里又不得不提多态，dynamic\_cast 只适用于含有虚函数的类之间的转换，所以，只取所需部分进行说明：

正如我们所知道的，多态的实现依赖于虚函数和继承（当然，这里是动态多态，这里不提静态多态，函数多态，宏多态之类的东西），更本质的说就是依赖于虚表指针，一般情况下，虚表指针（\_vptr）都位于对象的首地址，指向一个虚表(\_table)，而虚表中的内容则是虚函数的地址；

利用一个接口多种实现实现多态，对应到软件工程里就是，一个变点，多个变体；有些扯远了；

好了，我们暂时只需要知道这些，因为danamic\_cast需要用到这些；  
（如果觉得自己忘掉了多态，那就去看书吧！！）

2.2 dynamic\_cast实例解说

前面已经对dynamic\_cast的概念进行了陈列，相信已经帮你回忆好了，那么，下面我们就要对dynamic\_cast进行举例说明，更深一步去了解danamic\_cast的实现原理！

我们都知道继承的机制是基类的指针（引用）可以指向派生类的指着或者（引用），反之则编译错误；  
那么：

//现在我们有这样两个类
    class Base
    {
    public:
        virtual void show(){}
    };
    
    class Derive:public Base
    {
    public:
        virtual void show(){}
    };

//测试  
情景一：

Base* bptr = new Derive();
        //Derive* dptr = bptr;   //error
        Derive* dptr = dynamic_cast<Derive*>(bptr);  //没问题
        //dptr != NULL

情景二：

Base* bptr = new Base();
        //Derive* dptr = bptr;  //error编译不过
    
        //编译可以过去，但是我们来看看dptr的值
        Derive* dptr = dynamic_cast<Derive*>(bptr);
        cout<<"dptr = "<<dptr<<endl; //dptr == 0000000;

2.2.1 从情景一进行分析

我们企图用一个基类的指针去赋值一个派生类的指针，注意，基类指针的初始化是用派生类对象指针初始化的，直接进行赋值的话，编译器会直接报错，但是通过dynamic\_cast的强制转化就成功了，且dptr ！= NULL,这是为什么呢？

2.2.2 再从情景二分析

我们企图用一个基类的指针去赋值一个派生类的指针，注意，基类指针的初始化是用基类对象指针初始化的，直接进行赋值的话，编译器会直接报错，但是通过dynamic\_cast的强制转化就成功了，但是dptr == NULL,这是为什么呢？

2.2.3 综合分析

其实，如果你仔细看dynamic\_cast的定义的话，肯定明白，这就是dynamic\_cast的本身的机制，（有兴趣的同学可以去尝试用static\_cast测试一下，看看和dynamic\_cast有什么不同）这就是dynamic\_cast的奇特之处，它可以办到虚函数不能做到的事，而我先现在就是要去探索这个机制的实现原理，这就引出了本篇文章的重头戏RTTI（运行时类型检测的机制）；

在侯捷的《探索C++对象模型》和 林锐的《高质量C++/C编程指南》都对RTTI有比较详细的讲述，讲的内容大致相同；

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<三> RTTI（Run-time Type Identification）

RTTI的起源是因为异常处理机制，多余的我就不说了，重点就是因为种原因种种原因，它需要一个运行时检查对象类型的手段，那么RTTI就诞生了！

RTTI就是为每个类型增加一个type\_info对象；  
如果是虚拟机制（即存在虚函数），则type\_info对象的指针就放在了vtable中的第一个槽位；

注意，上面所述的内存分布大致如下。可能因为编译器的不同会有差异！  
![这里写图片描述][SouthEast]

3.1.1

上述的理论都是两本书上那么讲的，但是我在我的编译器上进行测试，虚表的第一个槽位就是第一个虚函数的地址，可能是编译器的优化；我还没有明确的在我编译器上找出type\_info的指针；（vs2012）

同时，探索C++对象模型这本书上给出的测试可以看出，type\_info对象的地址放在虚表的前一个空间：

Aclass* ptra=new Bclass;
     int ** ptrvf=(int**)(ptra);
     RTTICompleteObjectLocator str= *((RTTICompleteObjectLocator*)(*((int*)ptrvf[0]-1)));

另外，文章typeid详解中提到：  
ISO C++标准并没有确切定义type\_info，它的确切定义编译器相关的，但是标准却规定了其实现必需提供如下四种操作（在之后的章节中我会来分析type\_info类文件的源码）：

> t1 == t2 ：如果两个对象t1和t2类型相同，则返回true；否则返回false  
> t1 != t2 ：如果两个对象t1和t2类型不同，则返回true；否则返回false  
> t.name() ： 返回类型的C-style字符串，类型名字用系统相关的方法产生  
> t1.before(t2) ： 返回指出t1是否出现在t2之前的bool值

3.1.2 RTTI 和 dynamic\_cast的关系

注：（RTTI和虚函数的动态决议不是一回事）林锐：316页；  
为了能够在运行时获取对象类型的type\_info信息，C++增加了两个运算符：typeid 和 dynamic\_cast 两个运算符；

typeid的作用是返回一个type\_info对象的引用，typyid我们在平时的编程中也都用到过，想要详细了解type\_info的同学可以去看看typeinfo的内部实现，我们平时想要看一个对象的类型，可以用typeid().name()来查看，如果是非多态对象或者是基本数据类型，就会返回静态类型所对应的type\_info对像；

真正奇特的地方在于，对于存在继承关系的对象，也就是为了支持dynamic\_cast运算符，RTTI必须维护一棵继承树，来确认是否存在is-a关系，这就联系到了dynamic\_cast运算符的使用时，如果存在is-a关系时可以正常转换的原因，而更关键的是，dynamic\_cast比较的对象的真正类型，而这个真正的类型就是通过访问 vtable 来获取 type\_info的，所以，真正支持dynamic\_cast运算符的是RTTI；

通过上面讲的这么一大堆，我们现在就可以重新审视前面的情景一和情景二的具体实现过程了；

3.1.3 情景一，二再分析  
情景一：

Base* bptr = new Derive();
        //typeid(*bptr).name() 结果：class Derive
        cout<<typeid(*bptr).name()<<endl;
    
        //Derive* dptr = bptr;   //error
        Derive* dptr = dynamic_cast<Derive*>(bptr);  //没问题
        //typeid(*bptr).name() 结果：class Derive
        //dptr != NULL

情景二：

Base* bptr = new Base();
        cout<<typeid(*bptr).name()<<endl; //结果：class Base;
        //Derive* dptr = bptr;  //error编译不过
    
        //编译可以过去，但是我们来看看dptr的值
        Derive* dptr = dynamic_cast<Derive*>(bptr);
        //cout<<typeid(*dptr).name()<<endl;  //程序会挂掉；
        cout<<"dptr = "<<dptr<<endl; //dptr == 0000000;

dynamic\_cast 通过RTTI访问虚表里的type\_info，再根据type\_info和Deriver进行继承树的遍历判断是否有is-a关系，若有，则返回Deriver对象的引用或指针，否则返回NULL；

利用typeid可以得到对象的确切类型，注意typeid()里的参数是对象，是对dptr进行了解引用，如果是指针的话，返回的是指针的类型，得不到确切的结果的；

这就很好的解释了dynamic\_cast和RTTI的关系，并且了解其实现原理！  
其实STL里的value\_type也用了相似的原理，以后深入学习之后会进行补充！

注：其中很多不完善的地方，以后继续完善！

附RTTI的百度百科，很详细：  
[http://baike.baidu.com/link?url=b2M8dwztTkzS1Hm9X0rc5-ek8UKvJb4LjOg10FVkwFbYRKAfSEB1e1SPjlCWjtEI\_xhc3VipuZWDPcVz4ZVttK][http_baike.baidu.com_link_url_b2M8dwztTkzS1Hm9X0rc5-ek8UKvJb4LjOg10FVkwFbYRKAfSEB1e1SPjlCWjtEI_xhc3VipuZWDPcVz4ZVttK]

[SouthEast]: /images/20220714/3d2b293711b74f67a82ad415b3301970.png
[http_baike.baidu.com_link_url_b2M8dwztTkzS1Hm9X0rc5-ek8UKvJb4LjOg10FVkwFbYRKAfSEB1e1SPjlCWjtEI_xhc3VipuZWDPcVz4ZVttK]: http://baike.baidu.com/link?url=b2M8dwztTkzS1Hm9X0rc5-ek8UKvJb4LjOg10FVkwFbYRKAfSEB1e1SPjlCWjtEI_xhc3VipuZWDPcVz4ZVttK