C++类型预断——RTTI

C++没有类似 Java 语言的 instanceof 的类型预断，有什么方法可以做到类似 java 的类型预断功能呢？和Java相比，C++要想获得运行时类型信息，只能通过 RTTI （Run Time Type Identification）机制，并且C++最终生成的代码是直接与机器相关的（也就是不同编译器实现RTTI的方式不一样，C++标准只是做了约定）。

RTTI 提供了两个操作符：typeid 和 dynamic_cast

typeid：返回指针和引用所指的实际类型

dynamic_cast：将基类类型的指针或引用安全地转换为其派生类类型的指针或引用

C++的动态多态是由虚函数实现的，对于多态性的对象，无法在程序编译阶段确定对象的类型。当类中含有虚函数时，其基类的指针就可以指向任何派生类的对象，这时就有可能不知道基类指针到底指向的是哪个对象的情况，类型的确定要在运行时利用运行时类型标识做出。

1、typeid

为了获得一个对象的类型可以使用 typeid 操作，该操作返回一个 type_info 类对象的引用，type_info 类的定义在文件<typeinfo>中。

这里先介绍一下type_info源码：

class type_info
  {
  public:
    /** Destructor first. Being the first non-inline virtual function, this
     *  controls in which translation unit the vtable is emitted. The
     *  compiler makes use of that information to know where to emit
     *  the runtime-mandated type_info structures in the new-abi.  */
    virtual ~type_info();

    /** Returns an @e implementation-defined byte string; this is not
     *  portable between compilers!  */
    const char* name() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return __name[0] == '*' ? __name + 1 : __name; }

#if !__GXX_TYPEINFO_EQUALITY_INLINE
    // In old abi, or when weak symbols are not supported, there can
    // be multiple instances of a type_info object for one
    // type. Uniqueness must use the _name value, not object address.
    bool before(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT;
    bool operator==(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT;
#else
  #if !__GXX_MERGED_TYPEINFO_NAMES
    /** Returns true if @c *this precedes @c __arg in the implementation's
     *  collation order.  */
    // Even with the new abi, on systems that support dlopen
    // we can run into cases where type_info names aren't merged,
    // so we still need to do string comparison.
    bool before(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return (__name[0] == '*' && __arg.__name[0] == '*')
	? __name < __arg.__name
	: __builtin_strcmp (__name, __arg.__name) < 0; }

    bool operator==(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    {
      return ((__name == __arg.__name)
	      || (__name[0] != '*' &&
		  __builtin_strcmp (__name, __arg.__name) == 0));
    }
  #else
    // On some targets we can rely on type_info's NTBS being unique,
    // and therefore address comparisons are sufficient.
    bool before(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return __name < __arg.__name; }

    bool operator==(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return __name == __arg.__name; }
  #endif
#endif

#if __cpp_impl_three_way_comparison < 201907L
    bool operator!=(const type_info& __arg) const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return !operator==(__arg); }
#endif

#if __cplusplus >= 201103L
    size_t hash_code() const noexcept
    {
#  if !__GXX_MERGED_TYPEINFO_NAMES
      return _Hash_bytes(name(), __builtin_strlen(name()),
			 static_cast<size_t>(0xc70f6907UL));
#  else
      return reinterpret_cast<size_t>(__name);
#  endif
    }
#endif // C++11

    // Return true if this is a pointer type of some kind
    virtual bool __is_pointer_p() const;

    // Return true if this is a function type
    virtual bool __is_function_p() const;

    // Try and catch a thrown type. Store an adjusted pointer to the
    // caught type in THR_OBJ. If THR_TYPE is not a pointer type, then
    // THR_OBJ points to the thrown object. If THR_TYPE is a pointer
    // type, then THR_OBJ is the pointer itself. OUTER indicates the
    // number of outer pointers, and whether they were const
    // qualified.
    virtual bool __do_catch(const type_info *__thr_type, void **__thr_obj,
			    unsigned __outer) const;

    // Internally used during catch matching
    virtual bool __do_upcast(const __cxxabiv1::__class_type_info *__target,
			     void **__obj_ptr) const;

  protected:
    const char *__name;

    explicit type_info(const char *__n): __name(__n) { }

  private:
    /// Assigning type_info is not supported.
    type_info& operator=(const type_info&);
    type_info(const type_info&);
  };

可以看到 type_info 类的构造函数/拷贝构造都为私有函数，也就是不允许用户自己来创建type_info类对象。该类常用来判断类型的方法就是 operator()== 和 operator()!= 。

下面测试代码演示怎么使用 typeid ，注意：必须借助虚函数表来实现类型推断！

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std;

class Base{
public:
    virtual 
	void test(){
		cout << "Base::test" << endl;
	}
};

class Derived : public Base{
public:
    void test(){
		cout << "Derived::test" << endl;
	}

	virtual 
	~Derived(){
		cout << "Derived::~Derived" << endl;
	}
};


int main()
{
    Base base;
    Derived derive;
	Derived derive2;
    
	Base* pBase = new Base();
	Base* pBase2 = new Derived();
	Derived* pDerive = new Derived();
	
    //base和derive类型不同，返回false
    cout << "typeid(base) == typeid(derive) : " << (typeid(base) == typeid(derive)) << endl;

	//derive和derive2类型相同，返回true
    cout << "typeid(derive2) == typeid(derive) : " << (typeid(derive2) == typeid(derive)) << endl;
	
	//base和derive类型不同，返回false
    cout << "typeid(&base) == typeid(&derive) : " << (typeid(&base) == typeid(&derive)) << endl;
	
	//derive和derive2类型相同，返回true
    cout << "typeid(&derive2) == typeid(&derive) : " << (typeid(&derive2) == typeid(&derive)) << endl;

	//pBase和pDerive指向对象类型不同，返回false
	cout << "typeid(pBase) == typeid(pDerive) : " << (typeid(pBase) == typeid(pDerive)) << endl;
	
	//pBase2和pDerive指向对象类型相同，返回true
    cout << "typeid(pBase2) == typeid(pDerive) : " << (typeid(*pBase2) == typeid(*pDerive)) << endl;

    return 0;
}

大家可以测试一下，将 virtual 关键字注释掉再试试，类型推断结果会不一样！以下为output信息：

有虚函数的情况：

typeid(base) == typeid(derive) : 0

typeid(derive2) == typeid(derive) : 1

typeid(&base) == typeid(&derive) : 0

typeid(&derive2) == typeid(&derive) : 1

typeid(pBase) == typeid(pDerive) : 0

typeid(pBase2) == typeid(pDerive) : 1

没有虚函数的情况：

typeid(base) == typeid(derive) : 0

typeid(derive2) == typeid(derive) : 1

typeid(&base) == typeid(&derive) : 0

typeid(&derive2) == typeid(&derive) : 1

typeid(pBase) == typeid(pDerive) : 0

typeid(pBase2) == typeid(pDerive) : 0

为什么会这样呢？？？

前面咱们是不是讲到 virtual 是实现动态多态的手段，如果没有虚函数表，那么就可以在编译时根据操作内容推导出类型信息，以下静态类型都能在编译阶段确定类型信息：

类型名（例如：int、Base）

一个基本类型的变量（例如：2、3.0f）

一个具体的对象（例如：Base base；）

一个指向无虚函数表的类对象的指针

所以，当你对 typeid(pBase) 和 typeid(pBase2) 进行类型推导时，由于Base类中并不存在虚函数表，最终实际上和 typeid(Base*) 的效果一样！也就是在编译时就能够确定操作数的类型！

那么 typeid 是怎么动态推导类型的呢？那肯定是和咱们的虚函数表有关系！前面咱们讲过，typeid返回的是type_info类对象的引用，也就是只要是同一个类的实例，typeid 的返回值应该都是相同的！

//typeid(pBase2) 和 typeid(pDerive) 返回地址相同
    cout << "typeid(pBase2) = " << &typeid(*pBase2) <<  " typeid(pDerive) = "<< &typeid(*pDerive) << endl;

在main函数中添加以上测试代码，（注意将 Base 类中的 virtual 关键字注释取消，因为咱们要测试动态类型推导时的返回地址），此时，测试代码输出的日志信息为：

typeid(pBase2) = 0x564006a8ad20 typeid(pDerive) = 0x564006a8ad20

typeid 返回的地址相同，所以你去比较这两个对象的类型肯定也是相同的！

注意：此时你注释掉virtual看看，是否还相同呢？想想为什么？

typeid 的原理咱们先讲到这，如果你是C++编译器开发者，如果让你去实现RTTI技术，你如何去确定一个对象的真实类型呢？

首先，每个类在编译之后应该有一个 type_info 数据结构来标识这个类的唯一性，这个 type_info 数据应该是确定的并在编译时就创建出来了。

其次，typeid 的实现；显示 typeid 的功能无非考虑两种情况：

静态：直接根据操作数（例如int、无虚函数表的类对象等）找到对应类型的 type_info 数据即可。
动态：此时想要返回对象的真实类型只能够借助虚函数表了，那么，虚函数表中应该能找到真实类型的 type_info 数据的入口（类似虚函数表存储的是虚函数的地址，这里应该也是存储的是指向 type_info 数据的地址）。

ok，讲到这里，我们就需要深入挖掘虚函数表相关的知识，那么你要先补充一下虚函数表相关知识。typeid 的动态类型推导与虚函数表的关系，咱们放到下一篇在来讲！

Tips：可以先看看我的new[]/delete[]，原理相通！

2、dynamic_cast

dynamic_cast运算符将一个指向基类的指针转换成指向派生类的指针；如果失败，返回空指针。注意，主要用来进行向上转换，也就是从父类指针转换成子类指针（用来实现c++多态的），因为子类指针是不需要进行转换就可以被赋值给父类指针的！

好了嘛，既然是要实现多态，那么这里就必须借助虚函数表！也就是dynamic_cast在操作无虚函数表的对象时是不允许的！（会抛异常/编译错误）

添加以下测试代码：

//将父类指针转为子类指针
	auto p1 = dynamic_cast<Derived*>(pBase);
	
	//将指向子类的父类指针转为子类指针
	auto p2 = dynamic_cast<Derived*>(pBase2);
	
	cout << "p1 = " << p1 << " p2 = " << p2 << endl;

日志输出：

p1 = 0 p2 = 0x556f565f4ed0

至此，咱们就讲解完了C++中RTTI技术中两个操作符的使用方式和原理！后面一篇咱们再对typeid和虚函数的关系做更进一步讲解。

后一篇地址：typeid 和虚函数_master-计算机科学专栏-CSDN博客

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C++类型预断——RTTI

1、typeid

2、dynamic_cast

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