于C++中RTTI的編碼實(shí)現(xiàn)2002-08-10 11:42作者：廖科峰出處：yesky責(zé)任編輯：方舟
摘要：
RTTI(Run-Time Type Identification)是面向?qū)ο?a target="_blank" >程序設(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(guò)在某些情況下出于特殊的開(kāi)發(fā)需要，我們需要自己編碼來(lái)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(yǔ)言一樣，C++是一種靜態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言。其數(shù)據(jù)類(lèi)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?a target="_blank" >設(shè)計(jì)中多態(tài)性的要求，C++中的指針或引用(Reference)本身的類(lèi)型，可能與它實(shí)際代表(指向或引用)的類(lèi)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?lèi)型，就需要知道運(yùn)行時(shí)的類(lèi)型信息，這就產(chǎn)生了運(yùn)行時(shí)類(lèi)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(lèi)來(lái)支持RTTI：
dynamic_cast操作符：它允許在運(yùn)行時(shí)刻進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換，從而使程序能夠在一個(gè)類(lèi)層次結(jié)構(gòu)
安全地轉(zhuǎn)換類(lèi)型。dynamic_cast提供了兩種轉(zhuǎn)換方式，把基類(lèi)指針轉(zhuǎn)換成派生類(lèi)指針，或者把指向基類(lèi)的左值轉(zhuǎn)換成派生類(lèi)的引用。見(jiàn)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(lái)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(lèi)employee不具備這個(gè)特性。所以我們必須使用安全的由基類(lèi)到派生類(lèi)類(lèi)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(lèi)型。
例如：
employee* pe=new manager;
typeid(*pe)==typeid(manager) //true
typeid可以用于作用于各種類(lèi)型名，對(duì)象和內(nèi)置基本數(shù)據(jù)類(lèi)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?lèi)型信息。typeid的返回是type_info類(lèi)型。
type_info類(lèi)：這個(gè)類(lèi)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(lái)取得指針或應(yīng)用的實(shí)際類(lèi)型信息
這是一個(gè)最簡(jiǎn)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<TypeOfClass()==UDialogClass<TypeOfClass()==UObjectClass<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(lèi)中提供一個(gè)多態(tài)的方法，這個(gè)方法返回一個(gè)類(lèi)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(lèi)型，可以滿足一些簡(jiǎn)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(hù)每增加一個(gè)類(lèi)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(lèi)名和類(lèi)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(chēng)為RTTI。
3、 用戶(hù)必須手工維護(hù)每個(gè)類(lèi)的類(lèi)名與標(biāo)識(shí)，這限制了以庫(kù)的方式提供給用戶(hù)的可能。
4、 用戶(hù)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(wèn)題我們可以采用C/C++中的宏技巧(Macro Magic)來(lái)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(wèn)題。
方案二：以一個(gè)類(lèi)型表來(lái)存儲(chǔ)類(lèi)型信息
這種方法考慮使用一個(gè)類(lèi)結(jié)構(gòu)，除了保留原有的整型類(lèi)ID，類(lèi)名字符串外，增加了一個(gè)指向基類(lèi)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(lèi)層次結(jié)構(gòu)中的幾個(gè)類(lèi)添加RTTI功能。DP9900項(xiàng)目中，絕大部分的類(lèi)都以單繼承方式從UObject這個(gè)根類(lèi)直接或間接繼承而來(lái)。這樣我們就可以從UObject開(kāi)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(lèi)
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(lèi)作為每一個(gè)新增類(lèi)的靜態(tài)成員，這樣一個(gè)類(lèi)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(lèi)的這個(gè)TypeInfo。
每個(gè)類(lèi)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(lèi)的支持并不夠，當(dāng)用戶(hù)需要RTTI支持，還需要自己來(lái)做一些事情：
1、 派生類(lèi)需要從UObject繼承。
2、 添加rttiTypeInfo變量。
3、 在類(lèi)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(lèi)型信息構(gòu)成的"樹(shù)"，與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的樹(shù)的唯一差別就是其指針?lè)较蛳喾础?div style="height:15px;">
這樣，從任何一個(gè)UObject的子類(lèi)，順著pBaseClass往上找，總能遍歷它的所有父類(lèi)，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(lèi)就很簡(jiǎn)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(jiǎn)單的safe_cast來(lái)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(guò)用戶(hù)要使用這個(gè)類(lèi)庫(kù)的RTTI功能還很麻煩，要敲入一大堆對(duì)他們毫無(wú)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(lèi)ID與類(lèi)名。其實(shí)這些麻煩完全不必交給我們的用戶(hù)，適當(dāng)采用一些宏技巧(Macro Magic)，就可以讓C++的預(yù)處理器來(lái)替我們寫(xiě)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(lèi)ID的問(wèn)題。
類(lèi)ID
為了使不同類(lèi)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(lèi)ID來(lái)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(lèi)ID并不是必須的。每一個(gè)支持RTTI的類(lèi)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(lái)產(chǎn)生遞增類(lèi)ID的全局變量。再聲明如下一個(gè)結(jié)構(gòu)，沒(méi)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(lèi)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(lèi)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(lèi)的initClassInfo成員的構(gòu)造函數(shù)InitTypeInfo::InitTypeInfo(TypeInfo* info)，而正是這個(gè)函數(shù)替我們產(chǎn)生并設(shè)置了類(lèi)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(méi)有明確的規(guī)定，所以這樣的方式產(chǎn)生出來(lái)的類(lèi)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(wú)沖突HASH算法，將類(lèi)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(lèi)型名計(jì)算出一個(gè)整數(shù)作為類(lèi)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
#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;
}
實(shí)現(xiàn)結(jié)果
本文實(shí)現(xiàn)了如下幾個(gè)宏來(lái)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(shuō)明
DECLARE_TYPEINFO(class_name) 為類(lèi)添加RTTI功能放在類(lèi)聲明的起始位置
IMPLEMENT_TYPEINFO(class_name,base) 同上，放在類(lèi)定義任何位置
TYPEINFO_OF_CLASS(class_name) 相當(dāng)于typeid(類(lèi)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(cè)試
測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果，我在循環(huán)中加入了無(wú)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(cè)試輸出：" << endl;
cerr << "start my DYNAMIC_CAST at: " << time(NULL) << endl;
for(int i=0;i(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(cè)試輸出，我們可以看到，本文實(shí)現(xiàn)的這個(gè)精簡(jiǎn)RTTI方案運(yùn)行DYNAMIC_CAST的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)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(cè)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(jiǎn)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(méi)有帶來(lái)過(guò)多的存儲(chǔ)開(kāi)銷(xiāo)。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。
