浅议 Dynamic_cast 和 RTTI

写这篇博文的目的是，记录学习过程。

对于问题要较真，在解决这个问题中会学到很多，远远超过自己期望，锻炼思维，享受这个过程。

问题： Static_cast 与 Dynamic_cast的区别

来自书本上的解释：

  用 static_cast<type-id > ( expression )  

1. static_cast(expression) The static_cast<>() is used to cast between the integer types. 'e.g.' char->long, int->short etc.

   用来数值之间的转化。

2.  可以在相关指针之间转换，指针在void * 之间转换，还可以在基类和派生类之间转换。 这些转换是在编译的时候就确定下来转换（无非就是根据继承关系，偏移指针而已），但是这需要自己保证安全。

   比如

#include <iostream>
using namespace std;

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

};

class Derive: public Base
{
public:
    virtual  void f() {cout<<"Derive::f()"<<endl;}
    virtual  void f2() {cout<<"Derive::f1()"<<endl;}

};


int main()
{

    Base *pbase1  = new Derive();
    Derive* pderive1 = static_cast<Derive *>(pbase1);
    pderive1->f(); // Derive::f()
    
    Base* pbase2 = new Base();
    Derive * pderive2 = static_cast<Derive *>(pbase2);
    pderive2->f();  // Base::f()
    pderive2->f2(); // throw exception "Access violation reading"

    delete pbase1;
    delete pbase2;

}

虽然 由 pbase2 转化到 pderive2 ，编译器编译正确。 但是当调用 pderive2->f(); 应该不是希望的； 调用pderive2->f2() 因为基类本身就没有这个函数，说以运行时出错，抛出异常。

所以说static_cast 是编译时确定下来，需要自己确保转换类型安全，否则运行时会抛出异常.

 注意static_cast 不能直接在没有继承关系的对象指针之间进行转换。在Com 里面实现不同接口的同个对象，其也不能再接口之间转换（更何况是动态的），所以COM提供一个query 借口。

用法：dynamic_cast < type-id > ( expression)

是专门用于具有继承关系的类之间转换的，尤其是向下类型转换，是安全的。

#include <iostream>
using namespace std;

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

};

class Derive: public Base
{
public:
virtual void f() {cout<<"Derive::f()"<<endl;}
virtual void f2() {cout<<"Derive::f1()"<<endl;}

};

int main()
{

Base *pbase1 = new Derive();
Derive* pderive1 = dynamic_cast<Derive *>(pbase1); //down-cast
pderive1->f(); // Derive::f()

Base* pbase2 = new Base();
Derive * pderive2 = dynamic_cast<Derive *>(pbase2); //up-cast

if ( pderive2) // NULL
{
pderive2->f();
pderive2->f2();
}

delete pbase1;
delete pbase2;

}

dynamic_cast 如何保证转换是安全的？ 如何知道具体该类的具体类型 以及 继承关系呢？

引入RTTI，其存储着类运行的相关信息， 比如类的名字，以及类的基类。下面就介绍RTTI。

2. RTTI （Run Time Type info)

  这个神奇的东西用于存储类的相关信息，用于在运行时识别类对象的信息。C++ 里面只记录的类的名字和类的继承关系链。使得编译成二进制的代码，对象可以知道自己的名字（ASCII），以及在继承链中的位置。

  C++ 里面提供 一个关键字 typeid ， 一个数据类型 typeinfo，以及对应的头文件 typeinfo.h

 1 #include <iostream>
 2 #include <typeinfo>
 3  using namespace std;
 4 
 5  class Base 
 6 {
 7  public:
 8     virtual void f() {}  // it must need the virtual table
 9 };
10 
11 
12  class Derive: public Base
13 {
14 
15 };
16 
17 
18  class Derive2: public Base
19 {
20  
21 };
22 
23  void f(Base* pbase)
24 {
25   const type_info& typeinfo = typeid(pbase);
26   cout << typeinfo.name()<<endl;
27 
28 
29   if(NULL != dynamic_cast<Derive*>(pbase))
30   {
31       cout<<"type: Derive"<<endl;
32   }
33   else if(NULL != dynamic_cast<Derive2*>(pbase))
34   {
35       cout<<"type: Derive2"<<endl;
36   }
37   else
38   {
39        //ASSERT(0)
40    }
41 }
42 
43 
44  int main()
45 {
46     Base *pbase1  = new Derive();
47     f(pbase1);
48 
49     Base* pbase = new Derive2();
50     f(pbase);
51 }

out put:

1 class Base *
2 type: Derive
3  class Base *
4 type: Derive2

可见 Dynamic 是运行时确定的，是安全的。 那么

1. RTTI 的信息如何和对象绑定在一起？什么时候绑定的？

2. 为什么dynam_cast 必须要求转换的类型之间要有虚函数？否则编译通不过。

下面来回答这个问题。

3.RTTI 如何与对象绑定

google，找资料。 下面的图来自于 “Inside C++ Model”， RTTI 的info 是如何和对象之间的关系：

class Point 
{ 

public: 

   Point( float xval ); 

   virtual ~Point(); 

   float x() const; 

   static int PointCount(); 

protected: 

   virtual ostream& print( ostream &os ) const; 

   float _x; 

   static int _point_count; 

}; 

其内存中模型：

明显RTTI info 存在于虚表的第一项。第二个问题就可以回答，因为RTTI 依赖于虚表，所以用dynamic_cast 对应的类一定要有虚函数。

下面在VC中验证一下，

在VC中，我们知道虚指针指向虚表，对应的虚表第一项就是第一个虚函数。如果我们认为虚函数构成虚表，那么就可以认为RTTI info 就走虚表的紧邻上面。

下面验证：

1. 在VC 中查看RTTI中类名字

从上面图表可见，RTTI 对应的内容是空的。那么VC的实现和 书中的模型不一致吗？难道RTTI不在虚表的上面吗 ？接着有了下面的验证：

2. 把虚表上面指向RTTI info 的地址，给设置为0, 那么typeid 还可以工作吗？ Dynamic_cast 还可以工作吗？如果还可以工作，则说明这个地址指向的数据无关。

  如果将虚表上的RTTI的指针置空，dynamic_cast 就不能运行,抛出异常“std:: __non_rtti_object” . 那说明这个地址，还是与RTTI有关。 那问题出在哪里？

尝试在google 里面搜索，但是未果。 那么Dynamic_cast 的依赖于 RTTI的信息，那么Dynamic_cast的实现着手看看. 查看一下 他的汇编代码。 于是有了下面的实验。

3. RTTI 在VC里面如何实现的。

  将上面的代码以汇编形式输出，查看。

24   :     Derive * pderive = dynamic_cast<Derive*>(pbase);

    push    0
    push    OFFSET ??_R0?AVDerive@@@8
    push    OFFSET ??_R0?AVBase@@@8
    push    0
    mov    eax, DWORD PTR _pbase$[ebp]
    push    eax
    call    ___RTDynamicCast
    add    esp, 20                    ; 00000014H
    mov    DWORD PTR _pderive$[ebp], eax

发现 dynamic_cast的实现依赖于 对象本身，以及 ??_R0?AVDerive@@@8 和 ??_R0?AVBase@@@8 .  于是继续查看代码

View Code 





原来虚表上面指向是一个 Derive::`RTTI Complete Object Locator 。 用google 搜索下面的该关键字，有了下面的文章
http://www.openrce.org/articles/full_view/23
和该图：

谜底揭晓： 原来虚表上面的地址是指向一个结构 Derive::`RTTI Complete Object Locator ， 这个结构指向该类的名字，和其对象继承链。

这就回答了第一个问题，RTTI info 如何和对象绑定的？ 在对象创建的时候，调用构造函时候，创建虚表以及RTTI info，这样dynamic cast 就可以去访问RTTI，从而保证安全。

同样有个一问题，那就是RTTI 效率底下，试下如果一个类其继承多层，而且有多继承，那么查找链就相当遍历一个链表。

4. 实现一个代码用来从RTTI中读取类名字

 1   #include "iostream"
 2   #include "string" 
 3 #include <typeinfo>
 4   using namespace std;
 5 
 6 
 7   class Base
 8   {
 9   public:
10       virtual void f() { }
11   };
12 
13   class Derive : public Base
14   {
15   };
16 
17   typedef unsigned long DWORD;
18 
19   struct TypeDescriptor
20   {
21       DWORD ptrToVTable;
22       DWORD spare;
23       char name[ ];
24   };
25    struct RTTICompleteObjectLocator
26   
27   {
28   
29       DWORD signature; //always zero ?
30   
31       DWORD offset;    //offset of this vtable in the complete class
32   
33       DWORD cdOffset;  //constructor displacement offset
34   
35       struct TypeDescriptor* pTypeDescriptor; //TypeDescriptor of the complete class
36   
37       int * ptr;
38       //struct RTTIClassHierarchyDescriptor* pClassDescriptor; //describes inheritance hierarchy
39  
40   };
41   
42 
43 int main()
44 {
45     
46     Base *pderive = new Derive();
47     
48     int **ptr = (int **)(&pderive);
49 
50     int *ptable = (int *)(*(int *)(*ptr)); 
51 
52     int * rtti = ptable -1;
53   
54     RTTICompleteObjectLocator * RIIT_locator =   (RTTICompleteObjectLocator *)( *(int*)rtti);
55 
56     cout<<RIIT_locator->pTypeDescriptor->name<<endl;
57 
58 }

Out put:

.?AVDerive@@

当然可以根据RTTI的信息，可以遍历其继承关系图。留作一个练习，可以尝试一下。

总结：

static_cast 用于数值类型之间的转换，也可以用于指针之间的转换，编译的已经确定好，效率高，但须要自己保证其安全性。

dynamic_cast 用于有继承关系的类之间转换，是基于RTTI数据信息的，运行时检测，安全，但是效率低。

Refernce：

RTTI intoduction：

1. http://www.rcs.hu/Articles/RTTI_Part1.htm [介绍RTTI 的应用，需要的借口，以及一个实现]

2. http://www.codeproject.com/KB/cpp/dynamic_cpp.aspx