C++的 RTTI 观念和用途

C++的 RTTI 观念和用途

           自从1993年Bjarne Stroustrup 〔注1 〕提出有关C++ 的RTTI功能之建议﹐以及C++的异常处理(exceptionhandling)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﹐头文件(header file) 含有类之定义(classdefinition)亦即包含有关类的结构资料(representationalinformation)。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)﹐无法得知对象的类资料﹐包括类名称、数据成员名称与类型、函数名称与类型等等。例如﹐两个类﹐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资料﹐就有困难了。同样欲得知q 所参考(reference)对象的类资料﹐也无法得到。RTTI(Run-Time TypeIdentification)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类型时﹐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﹕
●类识别(class identification)──包括类名称或ID。
●继承关系(inheritance relationship)──支持执行时期的「往下变换类型」(downward casting)﹐亦即动态变换类型(dynamic casting) 。

在对象数据库存取上﹐还需要下述RTTI﹕
●对象结构(object layout) ──包括属性的类型、名称及其位置（position或offset）。
●成员函数表(table of functions)──包括函数的类型、名称、及其参数类型等。
其目的是协助对象的I/O 和持久化(persistence) ﹐也提供调试讯息等。
            若依照Bjarne Stroustrup 之建议〔注1 〕﹐C++ 还应包括更完整的RTTI﹕
●能得知类所实例化的各对象 。
●能参考到函数的源代码。
●能取得类的有关在线说明(on-line documentation) 。
其实这些都是C++ 编译完成时﹐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﹐而不使用虚函数(virtual function)方法。
            虽然这两种方法皆能达到多态化(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﹐使用虚函数方法则可合乎这个原则，请看下图﹕
           Circle和Square皆是由Figure所派生出来的子类﹐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类体系的结构具有紧密的相关性。当Figure类体系再派生出子类时﹐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函数来支持drawing() 函数的多型性。于是程序员将draw()宣告为虚函数﹐并写drawing() 如下﹕
           void drawing(Figure *p)
                       {           p->draw();            }
          如此﹐Figure类体系能随时派生类﹐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﹕异常处理(exceptions handling)、动态转类型(dynamic casting) 、模块集成、以及对象I/O 。
1.异常处理──        大家所熟悉的C++ 新功能﹕异常处理﹐其需要RTTI﹐如类名称等。
2.动态转类型──        在类体系(class hierarchy) 中﹐往下的类型转换需要类继承的RTTI。
3.模块集成──       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──在源代码中把对方对象之类定义（即存在头文件里）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名称﹐也必须知道各内含小对象之所属类﹐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。
●由源代码产生器(code generator)提供──例如Bellvobr系统。
●由OO数据库的特殊预处理器(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﹐例如提供类的名称或识别(TypeID)。最常见的方法是﹕为类体系定义些虚函数如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;        }
           };
虚函数Type_na() 提供类名称之RTTI﹐而Isa() 则提供继承之RTTI﹐用来支持「动态转类型」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来判断出这转类型是不对的。
类库提供RTTI
        由类库提供RTTI是最常见的﹐例如Visual C++的MFC 类库内有个CRuntimeClass 类﹐ 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的名称。Visual C++的类库仅提供些较简单的RTTI──类名称、对象大小及父类等。至于其它常用的RTTI如──数据项的类型及位置(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 *类型的。如下指令﹕
             Figure *f;        Rectangle *r;
             f = new Square();
             r = dynamic_cast<Rectangle *>(f);
             if(r)          r->Display();
这种类型转换是对的。
RTTI与虚函数表
在C++ 程序中﹐若类含有虚函数﹐则该类会有个虚函数表（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：
         由于该类所实例化之各对象﹐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﹐大多依赖类库来支持﹐但各类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类型、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++ C
onference, Portland, 1993.
[注2] Meyer B.,Object-Oriented Software Construction, Prentice Hall, 1988

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