• typeid and dynamic_cast


    1.typeid可以获取一个变量的类型名称,例如:ClassA  a; typeid(a).name();

    可以用于在运行期判断变量的类型。在实现上每个编译器都有自己的实现方法,一般的C++的编译器的实现可分为两种不同情况:

    ①静态类型

    ②动态类型

    对于静态类型的变量,比如基本类型(int,float等)、类的对象以及非多态的类的指针,像这种变量,都是可以在编译期就确定变量类型的(推导类型是编译器的基本能力),因此凡是出现typeid的地方,编译器就会生成一份typeinfo结构体,存放这个变量类型的信息。

    对于动态类型,比如:F* f = new S;那么假设想通过typeid判断*f的类型,也是可以的(typeid(*f).name()结果和typeid(S).name()相同),在实现上编译器会为每个多态类创建一份typeinfo(同样是在编译期实现的),然后将其地址放到这个类的虚函数表的前面size_t个字节。这样就能通过虚函数表找到这个typeinfo的信息。测试代码如下所示:

    #include<iostream>
    #include <typeinfo>
    using namespace std;
    
    class F {
    
        public:
            virtual void AA() {
                cout << "F::AA()" << endl;
            }
            virtual void BB() {
                cout << "F::BB()" << endl;
            }
            void CC(){
                cout << "F::CC()" << endl;
                
            }
            virtual void FF() {
                cout << "F::FF()" << endl;
            
            }
    };
    
    class S : public F {
        public:
            virtual void BB() {
                
                cout << "S::BB()" << endl;
            }
            virtual void DD() {
            
                cout << "S::DD()" << endl;
            }
    
            void EE() {
            
                cout << "S::EE()" << endl;
            }
        
    };
    int main() {
    
        F* f = new S;
        typedef void(*pFun)();
        pFun* p = (pFun*)*(size_t*)f;      //虚函数表首地址
        p--;                                //typeinfo信息地址 
        type_info *base = (type_info *)(*p);//*p也是个指针,且其指向的内存是type_info结构体(准确的说应该是这块内存前面的信息是type_info结构体,后面可能有别的信息)
        cout << base->name() << endl;
        cout << typeid(S).name() << endl;
        p++;
        (*p)();//调用虚函数表中的函数
        p++;
        (*p)();
        p++;
        (*p)();
        p++;
        (*p)();
        
        return 0;
    }
    

    运行结果如下:

    1S
    1S
    F::AA()
    S::BB()
    F::FF()
    S::DD()
    

    可以看到虚函数表前面的地址存储的就是typeinfo的地址,后面存储的就是函数指针了。

    一些疑问:

    ①这个typeinfo信息到底被存在哪?由于其是在编译期产生的,应该存储在静态存储区(全局变量区)或者常量区。

    ②虚函数表只存储了函数指针,那么在调用时如何知道这个索引值(例如上面的例子,加入你调用f->BB(),那么怎么知道取的是虚函数表中的第二个函数呢?),这个也是编译器帮我们做的记录,编译器会在编译期记录虚函数的排列顺序,这样调用的时候就能知道index值了。

    注:以上代码运行环境为:ubuntu16.04 + gcc5.4.0,在vs上不能成功运行(vs默认使用的是MSVC编译器,不同的编译器在实现RTTI上是不同的,MSVC在实现上存储的是一个rtti complete object locator结构体指针,位置同样是在vtable的前面,下面会有测试代码,来自:http://www.cppblog.com/dawnbreak/archive/2009/03/12/76354.html)

    #include "iostream"
    #include "string"
    
    
    using namespace std;
    class Aclass
    {
    public:
    	int a;
    	virtual void setA(int tmp)
    	{
    		a=tmp;
    		cout<<a<<endl;
    	}
    };
    class Bclass:public Aclass
    {
    public:
    	virtual void setA(int tmp)
    	{
    		a=tmp+10;
    		cout<<a<<endl;
    	}
    public:
    	void print()
    	{
    		cout<<a<<endl;
    	}
    };
    class Cclass:public Bclass
    {
    };
    typedef unsigned long DWORD;
    struct TypeDescriptor
    {
    	DWORD ptrToVTable;
    	DWORD spare;
    	char name[8];
    };
    struct PMD
    {
    
    	int mdisp;  //member displacement
    
    	int pdisp;  //vbtable displacement
    
    	int vdisp;  //displacement inside vbtable
    
    };
    struct RTTIBaseClassDescriptor
    
    {
    
    	struct TypeDescriptor* pTypeDescriptor; //type descriptor of the class
    
    	DWORD numContainedBases; //number of nested classes following in the Base Class Array
    
    	struct PMD where;        //pointer-to-member displacement info
    
    	DWORD attributes;        //flags, usually 0
    
    };
    
    struct RTTIClassHierarchyDescriptor
    {
    
    	DWORD signature;      //always zero?
    
    	DWORD attributes;     //bit 0 set = multiple inheritance, bit 1 set = virtual inheritance
    
    	DWORD numBaseClasses; //number of classes in pBaseClassArray
    
    	struct RTTIBaseClassArray* pBaseClassArray;
    
    };
    
    struct RTTICompleteObjectLocator
    
    {
    
    	DWORD signature; //always zero ?
    
    	DWORD offset;    //offset of this vtable in the complete class
    
    	DWORD cdOffset;  //constructor displacement offset
    
    	struct TypeDescriptor* pTypeDescriptor; //TypeDescriptor of the complete class
    
    	struct RTTIClassHierarchyDescriptor* pClassDescriptor; //describes inheritance hierarchy
    
    
    };
    
    
    int main(int argc, char* argv[])
    {
    	Aclass* ptra=new Bclass;
    	int ** ptrvf=(int**)(ptra);
    
    	RTTICompleteObjectLocator str=
    		*((RTTICompleteObjectLocator*)(*((int*)ptrvf[0]-1)));
    	//abstract class name from RTTI
    	string classname(str.pTypeDescriptor->name);
    	//classname=classname.substr(4,classname.find("@@")-4);
    	cout<<classname<<endl;
    	system("pause");
    	return 0;
    }
    

    在MSVC的编译器上多态对象内存布局如下图所示:

    与g++不同的是,vtable前面存储的是rtti complete object locator结构体指针(通过vs的单步调试可以看到),其内部包含一个pTypeDescriptor指针和pClassDescriptor指针,pTypeDescriptor结构体内就包含对象的类名,就能实现typeid的功能。

    2.dynamic_cast

      由上图可知,rtti complete object locator结构体中还包含pClassDescriptor结构体,其内包含对象的父类信息pBaseClassArray,父类信息再向上又能找到父类的父类的信息,相当于维护了一个继承关系树,也就是说能通过当前对象知道这个类的所有父类的信息。

      这样当你写下dynamic_cast<Bclass*>(ptra)时,就能知道ptra这个指针指向的对象到底是不是Bclass或者是Bclass的子类,是的话就返回对象地址,否则就返回空指针,实现了安全的类型转换。

      至于g++,其实现逻辑如下:

      ①找到 ptra的 type_info,找到Bclass的type_info(静态推导即可)

      ②判断ptra的类型与Bclass是否相等或者是否是其子类

      ③是:返回对象地址;否返回空指针

    疑问:假设ptra的类型是 Bclass的子类,而非Bclass自身,那么g++的实现是怎么判断ptra是否是Bclass的子类的。

    可以有两种做法:

    ①像MSVC一样,除了存储自身类型信息外,在后面存储上父类的类型信息(前面验证了vtable前面的指针指向的内存起始内容是个type_info结构体,后面是否存了其他信息没有找到依据)

    ②编译器在编译期确定这个继承关系链

    总之无论如何实现,都避免不了维护这个继承关系链

    小结:

    1.typeid分静态推导和动态推导,且不同编译器有不同的实现,如果是动态推导,typeid的实现原理等同于RTTI,但是typeid只确定自己的类型信息,无需更多的判断,代价相比dynamic_cast要小

    2.dynamic_cast一般用于多态类型的向下类型转换,作用对象的范围比typeid小,实现复杂,运行代价一般比typeid大

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