C++ RTTI

C++的

RTTI 观念和用途

 

                                                                                                                      物泽‧C++应用小组

 

 

  自从1993年Bjarne Stroustrup 〔注1 〕提出有关C++ 的RTTI功能之建议﹐以及C++ 的例外处理(exception handling)需要RTTI﹔最近新推出的C++ 或多或少已提供RTTI。然而，若不小心使用RTTI﹐可能会导致软件弹性的降低。本文将介绍RTTI的观念和近况﹐并说明如何善用它。

什么是RTTI﹖

  在C++ 环境中﹐标头档(header file) 含有类别之定义(class definition)亦即包含有关类别的结构资料(representational information)。但是﹐这些资料只供编译器(compiler)使用﹐编译完毕后并未留下来﹐所以在执行时期(at run-time) ﹐无法得知对象的类别资料﹐包括类别名称、资料成员名称与型态、函数名称与型态等等。例如﹐两个类别﹐其继承关系如下图：

                               

 

若有如下指令﹕

 

            Figure *p;

            p = new Circle();

           Figure &q = *p;

 

在执行时﹐p 指向一个对象﹐但欲得知此对象之类别资料﹐就有困难了。同样欲得知q 所参考(reference) 对象的类别资料﹐也无法得到。

  RTTI(Run-Time Type Identification)就是要解决这困难﹐也就是在执行时﹐您想知道指针所指到或参考到的对象型态时﹐该对象有能力来告诉您。

  随着应用场合之不同﹐所需支持的RTTI范围也不同。最单纯的RTTI包括﹕

 

●类别识别(class identification)──包括类别名称或ID。

●继承关系(inheritance relationship)──支持执行时期的「往下变换型态」(downward casting)﹐亦即动态转型态(dynamic casting) 。

 

在对象数据库存取上﹐还需要下述RTTI﹕

 

●对象结构(object layout) ──包括属性的型态、名称及其位置（position或offset）。

●成员函数表(table of functions)──包括函数的型态、名称、及其参数型态等。

 

其目的是协助对象的I/O 和永存(persistence) ﹐也提供侦错讯息等。

    若依照Bjarne Stroustrup 之建议〔注1 〕﹐C++ 还应包括更完整的RTTI﹕

 

●能得知类别所诞生的各对象 。

●能参考到函数的原始码。

●能取得类别的有关线上说明(on-line documentation) 。

 

其实这些都是C++ 编绎完成时﹐所丢弃的资料﹐如今只是希望寻找个途径来将之保留到执行期间。然而﹐要提供完整的RTTI﹐将会大幅提高C++ 的复杂度﹗

 

 

RTTI可能伴随的副作用

  RTTI最主要的副作用是﹕程序员可能会利用RTTI来支持其「复选」(multiple-selection)方法﹐而不使用虚拟函数(virtual function)方法。

  虽然这两种方法皆能达到多型化(polymorphism) ﹐但使用复选方法﹐常导致违反著名的「开放╱封闭原则」(open/closed principle) 〔注2 〕。反之﹐使用虚拟函数方法则可合乎这个原则，  请看下图﹕

     Circle和Square皆是由Figure所衍生出来的子类别﹐它们各有自己的draw()函数。当C++ 提供了RTTI﹐就可写个函数如下﹕

 

 void drawing( Figure *p )

      {

           if( typeid(*p).name() == "Circle" )

                      ((Circle*)p)  ->  draw();

           if( typeid(*p).name() == "Rectangle" )

                      ((Rectangle*)p) -> draw();

       }

 

  虽然drawing() 函数也具有多型性﹐但它与Figure类别体系的结构具有紧密的相关性。当Figure类别体系再衍生出子类别时﹐drawing() 函数的内容必须多加个if指令。因而违反了「开放╱封闭原则」﹐如下﹕

 

很显然地﹐drawing() 函数应加以修正。

 

 

      想一想﹐如果C++ 并未提供RTTI﹐则程序员毫无选择必须使用虚拟函数来支持drawing() 函数的多型性。于是程序员将draw()宣告为虚拟函数﹐并写drawing() 如下﹕

 

     void drawing(Figure *p)

                 {     p->draw();      }

 

     如此﹐Figure类别体系能随时衍生类别﹐而不必修正drawing() 函数。亦即﹐Figure体系有个稳定的接口(interface) ﹐drawing() 使用这接口﹐使得drawing() 函数也稳定﹐不会随Figure类别体系的扩充而变动。这是封闭的一面。而这稳定的接口并未限制Figure体系的成长﹐这是开放的一面。因而合乎「开放╱封闭」原则﹐软件的结构会更具弹性﹐更易于随环境而不断成长。

RTTI的常见的     使用场合

      一般而言﹐RTTI的常见使用场合有四﹕例外处理(exceptions handling)、动态转型态(dynamic casting) 、模块整合、以及对象I/O 。

 

1.例外处理──  大家所熟悉的C++ 新功能﹕例外处理﹐其需要RTTI﹐如类别名称等。

2.动态转型态──  在类别体系(class hierarchy) 中﹐往下的型态转换需要类别继承的RTTI。

3.模块整合──  当某个程序模块里的对象欲跟另一程序模块的对象沟通时﹐应如何得知对方的身分呢﹖知道其身分资料﹐才能呼叫其函数。一般的C++ 程序﹐常见的解决方法是──在原始程序中把对方对象之类别定义（即存在标头档里）包含进来﹐在编译时进行连结工作。然而﹐像目前流行的主从(Client-Server) 架构中﹐客户端(client)的模块对象﹐常需与主机端(server)的现成模块对象沟通﹐它们必须在执行时沟通﹐但又常无法一再重新编译。于是靠标头文件来提供的类别定义资料﹐无助于执行时的沟通工作﹐只得依赖RTTI了。

4.对象I/O ──  C++ 程序常将其对象存入数据库﹐未来可再读取之。对象常内含其它小对象﹐因之在存入数据库时﹐除了必须知道对象所属的类别名称﹐也必须知道各内含小对象之所属类别﹐才能完整地将对象存进去。储存时﹐也将这些RTTI资料连同对象内容一起存入数据库中。未来﹐读取对象时﹐可依据这些RTTI资料来分配内存空间给对象。

 

RTTI从那里来﹖

  上述谈到RTTI的用途﹐以及其副作用。这众多争论﹐使得RTTI的标准迟迟未呈现出来。也导致各C++ 开发环境提供者﹐依其环境所需而以各种方式来支持RTTI﹐且其支持RTTI的范围也所不同。  目前常见的支持方式包括﹕

 

●由类别库提供RTTI──例如﹐Microsoft 公司的Visual C++环境。

●由C++ 编译器(compiler)提供──例如﹐Borland C++ 4.5 版本。

●由原始程序产生器(code generator)提供──例如Bellvobr系统。

●由OO数据库的特殊前置处理器(preprocessor)提供──例如Poet系统。

●由程序员自己加上去。

 

这些方法皆只提供简单的RTTI﹐其仅为Stroustrup先生所建议RTTI内涵的部分集合而已。相信不久的将来﹐会由C++ 编译器来提供ANSI标准的RTTI﹐但何时会订出这标准呢﹖没人晓得吧﹗

程序员自己提供的RTTI

  通常程序员自己可提供简单的RTTI﹐例如提供类别的名称或识别(TypeID)。最常见的方法是﹕为类别体系定义些虚拟函数如Type_na() 及Isa() 函数等。请先看个例子﹕

 

 class Figure  { };

 class Rectangle : public Figure   { };

 class Square : public Rectangle

        {    int data;

            public:

              Square() { data=88; }

              void Display()  { cout << data << endl; }

          };

 void main()

       {   Figure *f = new Rectangle();

            Square *s = (Square *)f;

            s -> Display();

       }

 

这时s 指向Rectangle 之对象﹐而s->Display()呼叫Square::Display() ﹐将找不到data值。若在执行时能利用RTTI来检查之﹐就可发出错误讯息。于是﹐自行加入RTTI功能﹕

 

  class Figure

      {  public:

             virtual char* Type_na()

                           {  return "Figure";  }

              virtual int Isa(char* cna)

                {  return !strcmp(cna, "Figure")? 1:0;  }

      };

 class Rectangle:public Figure

     {   public:

              virtual char* Type_na()

                     {  return "Rectangle";  }

              virtual int Isa(char* cna)

                 {  return !strcmp(cna, "Rectangle")?

                           1 : Figure::Isa(cna);

                 }

        static Rectangle* Dynamic_cast(Figure* fg)

                 {  return fg -> Isa(Type_na())?

                           (Rectangle*)fg : 0;

                 }

       };

  class Square:public Rectangle

          {    int data;

       public:

           Square() { data=88; }

            virtual char* Type_na()

                      {  return "Square";  }

            virtual int Isa(char* cna)

                {  return !strcmp(cna, "Rectangle")?

                           1 : Rectangle::Isa(cna);

                 }

        static Square* Dynamic_cast(Figure *fg)

                {  return fg->Isa(Type_na())?

                           (Square*)fg : 0;

                 }

         void Display()  {  cout << "888" << endl;  }

     };

 

虚拟函数Type_na() 提供类别名称之RTTI﹐而Isa() 则提供继承之RTTI﹐用来支持「动态转型态」函数──Dynamic_cast()。例如﹕

 

       Figure *f  =  new Rectangle();

       cout << f -> Isa("Square") << endl;

       cout << f -> Isa("Figure") << endl;

 

这些指令可显示出﹕f 所指向之对象并非Square之对象﹐但是Figure之对象（含子孙对象）。再如﹕

 

       Figure *f;  Square *s;

       f  =  new Rectangle();

       s  =  Square  ==  Dynamic_cast(f);

       if(!s)

           cout << "dynamic_cast error!!" << endl;

 

此时﹐依RTTI来判断出这转型态是不对的。

 

类别库提供RTTI

  由类别库提供RTTI是最常见的﹐例如Visual C++的MFC 类别库内有个CRuntimeClass 类别﹐其内含简单的RTTI。请看个程序﹕

 

        class Figure:public CObject

           {

               DECLARE_DYNAMIC(Figure);

           };

    class Rectangle : public Figure

           {

              DECLARE_DYNAMIC(Rectangle);

           };

    class Square : public Rectangle

        {

           DECLARE_DYNAMIC(Square);

           int data;

         public:

           void Display()  {  cout << data << endl;  }

           Square()    {  data=88;  }

         };

 

    IMPLEMENT_DYNAMIC(Figure, CObject);

    IMPLEMENT_DYNAMIC(Rectangle, Figure);

    IMPLEMENT_DYNAMIC(Square, Rectangle);

 

Visual C++程序依赖这些宏(Macor) 来支持RTTI。现在就看看如何使用CRuntimeClass 类别吧﹗如下﹕

 

          CRuntimeClass *r;

          Figure *f  =  new Rectangle();

          r = f -> GetRuntimeClass();

          cout << r -> m_psClassName << endl;

 

     这就在执行时期得到类别的名称。Visual C++的类别库仅提供些较简单的RTTI──类别名称、对象大小及父类别等。至于其它常用的RTTI如──数据项的型态及位置(position)等皆未提供。

C++编译器提供RTTI

  由C++ 语言直接提供RTTI是最方便了﹐但是因RTTI的范围随应用场合而不同﹐若C++ 语言提供所有的RTTI﹐将会大幅度增加C++ 的复杂度。目前﹐C++ 语言只提供简单的RTTI﹐例如Borland C++ 新增typeid()操作数以及dynamic_cast<T*>函数样版。请看个程序﹕

 

   class Figure

        {   public:

                virtual void Display();

         };

   class Rectangle : public Figure   { };

   class Square:public Rectangle

      {    int data;

          public:

            Square() {  data=88;  }

             void Display() {  cout << data << endl;  }

       };

 

现在看看如何使用typeid()操作数──

 

          Figure *f  =  new Square();

          const typeinfo  ty  =  typeid(*f);

          cout << ty.name() << endl;

 

这会告诉您﹕f 指针所指的对象﹐其类别名称是Square。再看看如何使用dynamic_cast<T*>函数样版──

 

      Figure *f;  Square *s;

      f = new Rectangle();

      s = dynamic_cast<Sqiare *>(f);

      if(!s)

          cout << "dynamic casting error!!" << endl;

 

在执行时﹐发现f 是不能转为Square *型态的。如下指令﹕

 

       Figure *f;  Rectangle *r;

       f = new Square();

       r = dynamic_cast<Rectangle *>(f);

       if(r)    r->Display();

 

这种型态转换是对的。

 

RTTI与虚拟函数表

在C++ 程序中﹐若类别含有虚拟函数﹐则该类别会有个虚拟函数表（Virtual Function Table﹐简称VFT ）。为了提供RTTI﹐C++ 就将在VFT 中附加个指针﹐指向typeinfo对象﹐这对象内含RTTI资料，如下图：

 

               

 

   由于该类别所诞生之各对象﹐皆含有个指针指向VFT 表﹐因之各对象皆可取出typeinfo对象而得到RTTI。例如﹐

          Figure *f1 = new Square();

          Figure *f2 = new Square();

          const typeinfo ty = typeid(*f2);

 

其中﹐typeid(*f2) 的动作是﹕

 

1.取得f2所指之对象。

2.从对象取出指向VMF 之指针﹐经由此指针取得VFT 表。

3.从表中找出指向typeinfo对象之指针﹐经由此指针取得typeinfo对象。

 

  这typeinfo对象就含有RTTI了。参考下图1，经由f1及f2两指针皆可取得typeinfo对象﹐所以   typeid(*f2) == typeid(*f1)。

  

总结

  RTTI是C++ 的新功能。过去﹐C++ 语言来提供RTTI时﹐大多依赖类别库来支持﹐但各类别库使用的方法有所不同﹐使得程序的可移植性(portability) 大受影响。然而﹐目前C++ 也只提

供最简单的RTTI而已﹐可预见的未来﹐当大家对RTTI的意见渐趋一致时﹐C++ 将会提供更完整的RTTI﹐包括数据项和成员函数的型态、位置(offset)等资料﹐使得C++ 程序更井然有序﹐易于维护。

 

参考资料

[注1]  Stroustrup B., “Run-Time Type Identification for C++”, Usenix C++ Conference, Portland, 1993.

[注2] Meyer B.,Object-Oriented Software Construction, Prentice Hall, 1988.█