关于C++中RTTI的编码实现

 

关于C++中RTTI的编码实现

摘要：

　　RTTI(Run-Time Type Identification)是面向对象程序设计中一种重要的技术。现行的C++标准对RTTI已经有了明确的支持。不过在某些情况下出于特殊的开发需要，我们需要自己编码来实现。本文介绍了一些关于RTTI的基础知识及其原理和实现。

 

RTTI需求：

　　和很多其他语言一样，C++是一种静态类型语言。其数据类型是在编译期就确定的，不能在运行时更改。然而由于面向对象程序设计中多态性的要求，C++中的指针或引用(Reference)本身的类型，可能与它实际代表(指向或引用)的类型并不一致。有时我们需要将一个多态指针转换为其实际指向对象的类型，就需要知道运行时的类型信息，这就产生了运行时类型识别的要求。

 

C++对RTTI的支持：

　　C++提供了两个关键字typeid和dynamic_cast和一个type_info类来支持RTTI：

　　dynamic_cast操作符：它允许在运行时刻进行类型转换，从而使程序能够在一个类层次结构安全地转换类型。dynamic_cast提供了两种转换方式，把基类指针转换成派生类指针，或者把指向基类的左值转换成派生类的引用。见下例讲述：

void company::payroll(employee *pe)

{

     //对指针转换失败，dynamic_cast返回NULL

     if(programmer *pm=dynamic_cast(pe))// 把基类指针转换成派生类指针

     {

           pm->bonus();

     }

}

 

void company::payroll(employee &re)

{

     try{

           //对引用转换失败的话，则会以抛出异常来报告错误

           programmer &rm=dynamic_cast(re);// 把指向基类的左值转换成派生类的引用

           pm->bonus();

     }

     catch(std::bad_cast){

 

     }

}

　　这里bonus是programmer的成员函数，基类employee不具备这个特性。所以我们必须使用安全的由基类到派生类类型转换，识别出programmer指针。

　　typeid操作符：它指出指针或引用指向的对象的实际派生类型。

　　例如：

employee* pe=new manager;

typeid(*pe)==typeid(manager) //true

　　typeid可以用于作用于各种类型名，对象和内置基本数据类型的实例、指针或者引用，当作用于指针和引用将返回它实际指向对象的类型信息。typeid的返回是type_info类型。

　　type_info类：这个类的确切定义是与编译器实现相关的，下面是《C++ Primer》中给出的定义(参考资料[2]中谈到编译器必须提供的最小信息量)：

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;

};

 

实现目标：

　　实现的方案

　　方案一：利用多态来取得指针或应用的实际类型信息

 

using namespace std;

enum ClassType{

     UObjectClass,

     URectViewClass,

     UDialogClass,

};

 

struct UObject

{

     virtual char* GetClassName() const

     {

           return "UObject";

     }

 

     virtual ClassType TypeOfClass()

     {

           return UObjectClass;

     }

};

 

struct UDialog{

     virtual char* GetClassName() const

     {

           return "UDialog";

     };

     virtual ClassType TypeOfClass()

     {

           return UDialogClass;

     };

};

 

struct URectView{

     virtual char* GetClassName() const

     {

           return "URectView";

     };

     virtual ClassType TypeOfClass()

     {

           return URectViewClass;

     };

};

 

void main()

{

     UObject *po=new UObject;

     URectView *pr=new URectView;

     UDialog *pd=new UDialog;

     cout << "po is a " << po->GetClassName() << endl;

     cout << "pr is a " << pr->GetClassName() << endl;

     cout << "pd is a " << pd->GetClassName() << endl;

}

　　这种实现方法也就是在基类中提供一个多态的方法，这个方法返回一个类型信息。这样我们能够知道一个指针所指向对象的具体类型，可以满足一些简单的要求。

　　但是很显然，这样的方法只实现了typeid的部分功能，还存在很多缺点：

　　1、用户每增加一个类必须覆盖GetClassName和TypeOfClass两个方法，如果忘了，会导致程序错误。

　　2、这里的类名和类标识信息不足以实现dynamic_cast的功能，从这个意义上而言此方案根本不能称为RTTI。

　　3、用户必须手工维护每个类的类名与标识，这限制了以库的方式提供给用户的可能。

　　4、用户必须手工添加GetClassName和TypeOfClass两个方法，使用并不方便。

　　其中上面的部分问题我们可以采用C/C++中的宏技巧(Macro Magic)来解决，这个可以在我们的最终解决方案的代码中看到。下面采用方案二中将予以解决上述问题。

 

方案二：以一个类型表来存储类型信息

　　这种方法考虑使用一个类结构，除了保留原有的整型类ID，类名字符串外，增加了一个指向基类TypeInfo成员的指针。

struct TypeInfo

{

     char* className;

     int type_id;

     TypeInfo* pBaseClass;

     operator== (const TypeInfo& info){

           return this==&info;

     }

     operator!= (const TypeInfo& info){

           return this!=&info;

     }

};

　　

            从这里可以看到，以这种方式实现的RTTI不支持多重继承。所幸多重继承在程序设计中并非必须，而且也不推荐。下面的代码中，我将为DP9900软件项目组中类层次结构中的几个类添加RTTI功能。DP9900项目中，绝大部分的类都以单继承方式从UObject这个根类直接或间接继承而来。这样我们就可以从UObject开始，加入我们RTTI支持所需要的数据和方法。

class UObject

{

public:

     bool IsKindOf(TypeInfo& cls); //判别某个对象是否属于某一个类

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;

};

//依次为className、type_id、pBaseClass赋值

TypeInfo UObject::rttiTypeInfo={"UObject",0,NULL};

　　考虑从UObject将这个TypeInfo类作为每一个新增类的静态成员，这样一个类的所有对象将共享TypeInfo的唯一实例。我们希望能够在程序运行之前就为type_id,className做好初始化，并让pBaseClass指向基类的这个TypeInfo。

　　每个类的TypeInfo成员约定使用rttiTypeInfo的命名，为了避免命名冲突，我们将其作为private成员。有了基类的支持并不够，当用户需要RTTI支持，还需要自己来做一些事情：

　　1、派生类需要从UObject继承。

　　2、添加rttiTypeInfo变量。

　　3、在类外正确初始化rttiTypeInfo静态成员。

　　4、覆盖GetTypeID、GetTypeName、GetTypeInfo、GetTypeInfoClass四个成员函数。

　　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，这样我们就可以得到一个不算太复杂的链表――这是一棵类型信息构成的"树"，与数据结构中的树的唯一差别就是其指针方向相反。

　　这样，从任何一个UObject的子类，顺着pBaseClass往上找，总能遍历它的所有父类，最终到达UObject。

　　在这个链表的基础上，要判别某个对象是否属于某一个类就很简单。下面给出UObject::IsKindOf()的实现。

 

 

 

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个简单的safe_cast来实现：

template

inline T* safe_cast(UObject* ptr,TypeInfo& cls)

{

     return (ptr->IsKindOf(cls)?(T*)ptr:NULL);

}

　　至此，我们已经能够从功能上完成前面的目标了，不过用户要使用这个类库的RTTI功能还很麻烦，要敲入一大堆对他们毫无意义的函数代码，要在初始化rttiTypeInfo静态成员时手工设置类ID与类名。其实这些麻烦完全不必交给我们的用户，适当采用一些宏技巧(Macro Magic)，就可以让C++的预处理器来替我们写很多枯燥的代码。关于宏不是本文的重点，你可以从最终代码清单看到它们。下面再谈谈关于类ID的问题。

　　类ID

　　为了使不同类型的对象可区分，用一个给每个TypeInfo对象一个类ID来作为比较的依据是必要的。其实对于我们这里的需求和实现方法而言，其实类ID并不是必须的。每一个支持RTTI的类都包含了一个静态TypeInfo对象，这个对象的地址就是在进程中全局唯一。但考虑到其他一些技术如：动态对象创建、对象序列化等，它们可能会要求RTTI给出一个静态不变的ID。在本文的实现中，对此作了有益的尝试。

　　首先声明一个用来产生递增类ID的全局变量。再声明如下一个结构，没有数据成员，只有一个构造函数用于初始化TypeInfo的类ID：

extern int TypeInfoOrder=0;

struct InitTypeInfo

{

     InitTypeInfo(TypeInfo* info)

     {

           info->type_id=TypeInfoOrder++;

     }

};

　　为UObject添加一个private的静态成员及其初始化：

class UObject

{

     //……

private:

     static InitTypeInfo initClassInfo;

};

InitTypeInfo UObject::initClassInfo(&(UObject::rttiTypeInfo));

　　并且对每一个从UObject派生的子类也进行同样的添加。这样您将看到，在C++主函数执行前，启动代码将替我们调用每一个类的initClassInfo成员的构造函数InitTypeInfo::InitTypeInfo(TypeInfo* info)，而正是这个函数替我们产生并设置了类ID。InitTypeInfo的构造函数还可以替我们做其他一些有用的初始化工作，比如将所有的TypeInfo信息登录到一个表格里，让我们可以很方便的遍历它。

　　但实践与查阅资料让我们发现，由于C++中对静态成员初始化的顺序没有明确的规定，所以这样的方式产生出来的类ID并非完全静态，换一个编译器编译执行产生的结果可能完全不同。

　　还有一个可以考虑的方案是采用某种无冲突HASH算法，将类名转换成为一个唯一整数。使用标准CRC32算法从类型名计算出一个整数作为类ID也许是个不错的想法[3]。

　　程序清单

// 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;

}

 

　　实现结果

　　本文实现了如下几个宏来支持RTTI，它们的使用方法都可以在上面的代码中找到：
　　

宏函数

功能及参数说明

DECLARE_TYPEINFO(class_name)

为类添加RTTI功能放在类声明的起始位置

IMPLEMENT_TYPEINFO(class_name,base)

同上，放在类定义任何位置

TYPEINFO_OF_CLASS(class_name)

相当于typeid(类名)

TYPEINFO_OF_OBJ(obj_name)

相当于typeid(对象)

TYPEINFO_OF_PTR(ptr_name)

相当于typeid(指针)

DYNAMIC_CAST(object_ptr,class_name)

相当于dynamic_castobject_ptr

 

性能测试

　　测试代码：

　　这里使用相同次数的DYNAMIC_CAST和dynamic_cast进行对比测试，在VC6.0下编译运行，使用默认的Release编译配置选项。为了避免编译器优化导致的不公平测试结果，我在循环中加入了无意义的计数操作。

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 << "时间测试输出：" << endl;

     cerr << "start my DYNAMIC_CAST at: " << time(NULL) << endl;

     for(int i=0;i<TIMES;I++){

           if(DYNAMIC_CAST(po,UView)) a++; else a--;

           if(DYNAMIC_CAST(pv,UView)) b++; else b--;

           if(DYNAMIC_CAST(po,UGraph)) c++; else c--;

           if(DYNAMIC_CAST(pg,UGraph)) d++; else d--;

     }

     cerr << "end my DYNAMIC_CAST at: " << time(NULL) << endl;

     cerr << "start c++ dynamic_cast at: " << time(NULL) << endl;

     for(i=0;i<TIMES;I++){

           if(dynamic_cast(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;

}

　　运行结果：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512140
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512145
start c++ dynamic_cast at: 1021512145
end c++ dynamic_cast at: 1021512160

　　这是上述条件下的测试输出，我们可以看到，本文实现的这个精简RTTI方案运行DYNAMIC_CAST的时间开销只有dynamic_cast的1/3。为了得到更全面的数据，还进行了DEBUG编译配置选项下的测试。

　　输出：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512041
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512044
start c++ dynamic_cast at: 1021512044
end c++ dynamic_cast at: 1021512059

　　这种情况下DYNAMIC_CAST运行速度要比dynamic_cast慢一倍左右。如果在Release编译配置选项下将UObject::IsKindOf方法改成如下inline函数，我们将得到更让人兴奋的结果（DYNAMIC_CAST运行时间只有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;

}

　　输出：

start my DYNAMIC_CAST at: 1021512041
end my DYNAMIC_CAST at: 1021512044
start c++ dynamic_cast at: 1021512044
end c++ dynamic_cast at: 1021512059

　　结论：

　　由本文的实践可以得出结论，自己动手编码实现RTTI是简单可行的。这样的实现可以在编译器优秀的代码优化中表现出比dynamic_cast更好的性能，而且没有带来过多的存储开销。本文的RTTI以性能为主要设计目标，在实现上一定程度上受到了MFC的影响。适于嵌入式环境。