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从RTTI谈C++的向下转型
1.什么是RTTI?
RTTI 是“Runtime Type Information”的缩写,意思是:运行时类型信息。它提供了运行时确定对象类型的方法。允许“用指向基类的指针或引用来操纵对象”的程序能够获取到“这些指针或引用所指对象”的实际派生类型。在 c++中,为了支持 RTTI 提供了两个操作符 :
1 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中安全地转换类型(安全的向下转型)。把基类指针转换成派生类指针,或把指向基类的左值转换成派生类的引用。当然只有在保证转换能够成功的情况下才可以;
2 typeid操作符:它指出指针或引用指向的对象的实际派生类型。
但是,对于要获得的派生类类型的信息,dynamic_cast 和 typeid操作符的操作数的类型必须是带有一个或多个虚拟函数的类类型,即对于带有虚拟函数的类而言,RTTI 操作符是运行时刻的事件,而对于其他类而言,它只是编译时刻的事件。
2. RTTI如何实现
C++的RTTI是最简单的,只能获得类名和相关的继承信息;而VB、Delphi、Java等确复杂得多,甚至于支持属性名、方法名、事件名等。
如图,C++使用type_info类的对象保存每个对象的相关信息如对象名称、对象类型等。而所谓RTTI就是在执行期取得对象的type_info。所以C++采用了和虚函数同样的办法,使用vtable(通常为第一个slot)保存需要执行期获得type_info的对象的type_info对象地址。那么由pt指向的class object的type_info可在执行期通过如下方式获得:
(type_info)*(type_info*)(pt->vptr[0]);
通过上述实现分析我们也可以知道,C++的RTTI只能用于那些展现“多态”(内含虚函数)的类型有效。因为只有这样的类才有vtable。
3. 向下转型
将一个Base class对象的指针转为Derived class对象的指针或将Base class的左值转为Derived class的引用称为向下转型。
注:不能讲Base class的对象转为Derived class的对象(除非定义相应转换操作符)。如下语句是错误的:
Base bobj;
Derived dobj=static_cast<Derived>(bobj) ;//error,
Derived dobj=(Derived)(bobj) ;//error
但如下语句是正确的:
Derived dobj;
Base bobj=(Base)dobj;//正确,造成对象切割
Base bobj=static_cast<Base>(dobj);//正确,造成对象切割
向下转型示例:
(1) 基类指针转为子类指针
Base bobj;
Base *pb=&bobj;
Derived *pd=(Derived*)pb;//方式一
Derived *pd=static_cast<Derived*>(pb);//方式二
Derived *pd=dynamic_cast<Derived*>(pb);//方式三,只有Base class中有虚函数才能使用,否则编译错误(Derived class中有虚函数也不行)
(2) 基类左值转子类引用
Base bobj;
Derived dobj;
Derived &dref=(Derived&)(bobj);//方式一
Derived &dref=static_cast<Derived&>(bobj);//方式二
Derived &dref=dynamic_cast<Derived&>(bobj);//方式三,只有Base class中有虚函数才能使用,否则编译错误(Derived class中有虚函数也不行)
(3) 基类左值转子类引用
Derived dobj;
Base& bref=dobj;
Derived &dref=(Derived&)(bref);
Derived &dref=static_cast<Derived&>(bref);
Derived &dref=dynamic_cast<Derived&>(bref);
向下转型的隐患
向下转型有着潜在的危险,因为当基类指针指向的是基类对象,而将基类指针转为子类指针时,如果通过转换后的子类指针访问子类的专有成员,就会造成内存错误,因为实际指向的是基类对象,而基类对象中不存在这些成员。(引用转换类似)
4. 安全的向下转型——dynamic_cast<>()
所谓“安全的向下转型”即只有当Base class的指针确实指向Derived class对象时才能将其转为Derived class的指针。但是我们知道Base class的指针指向的对象类型在执行期是可以改变的(指向Base class对象或Derived class对象),所以要想保证向下转型的安全性,就必须在执行期对Base class的指针有所查询,看看它所指向对象的真正类型。
dynamic_cast运算符可以在执行期确定指针指向的真正类型(前提是Base class中要有虚函数)。当对Base class的指针向下转型时,如果向下转型时是安全的(也就是Base type pointer指向一个Derived class object),则这个运算符传回相应的Derived class指针,如果向下转型是不安全的,则这个运算符传回0.
当对Base class的引用向下转型时,如果向下转型时是安全的(也就是Base type reference引用一个Derived class object),则这个运算符传回相应的Derived class引用,否则抛出一个bad_cast exception,而不是返回0. 不返回0的原因是,若将一个引用设为0,会使一个临时性对象产生出来,该临时性对象的初值为0,这个引用被设置为这个对象的别名。
dynamic_cast的成本
由于要在执行期获取对象类型信息(type_info),类似虚函数调用:
(type_info)*(type_info*)(pt->vptr[0]);
当使用dynamic_cast进行Base class指针向下转型时,dynamic_cast会采用这种方法获取Base class指针和Derived class指针指向对象的type_info对象,并将两个type_info对象中的类型描述器交给一个runtime library函数,比较之后告诉我们是否吻合。这显然比static_cast的开销昂贵的多,但是安全的多。
5. Typeid运算符
Typeid运算符传回一个type_info对象的const引用。
1. typeid操作符必须与表达式或类型名一起使用。例如,内置类型的表达式和常量可以被用作 typeid的操作数。
(1) 当操作数不是类类型时,typeid操作符会指出操作数的类型 ,此时type_info对象的引用是在编译期获得,如:
int iobj;
cout << typeid( iobj ).name() << endl; // 打印: int
cout << typeid( 8.16 ).name() << endl; // 打印: double
(2) 当typeid操作符的操作数是类类型,但不是带有虚拟函数的类类型时,typeid操作符会指出操作数的类型,而不是底层对象的类型,此时type_info对象的引用是在编译期获得,如:
class Base { /* 没有虚拟函数 */ };
class Derived : public Base { /* 没有虚拟函数 */ };
Derived dobj;
Base *pb = &dobj;
cout << typeid( *pb ).name() << endl; // 打印: class Base
由于typeid操作符的操作数是 Base 类型的,即表达式*pb 的类型。而 Base 不是一个带有虚拟函数的类类型,所以typeid的结果是Base。尽管 pb 指向的底层对象的类型是 Derived。
(3) 当typeid操作符的操作数是类类型,且该类是带有虚拟函数的类类型时,typeid操作符会指出实际底层对象的类型,此时type_info对象的引用是在执行期获得,如:
class Base { /* 有虚拟函数 */ };
class Derived : public Base {};
Derived dobj;
Base *pb = &dobj;
cout << typeid( *pb ).name() << endl; // 打印: class Derived
2. 可以对 typeid的结果进行比较。例如
#include <type_info>
employee *pe = new manager;
employee& re = *pe;
if ( typeid( pe ) == typeid( employee* ) ) // true
if ( typeid( pe ) == typeid( manager* ) ) // false
if ( typeid( pe ) == typeid( employee ) ) // false
if ( typeid( pe ) == typeid( manager ) ) // false
if语句的条件子句比较“在一个表达式上应用typeid操作符的结果”和“用在类型名操作数上的typeid操作符的结果”。注意比较
typeid( pe ) == typeid( employee* ) 的结果为true。
这是因为操作数pe 是一个指针,而不是一个类类型。为了要获取到派生类类型 ,typeid的操作数必须是一个类类型(带有虚拟函数)。表达式 typeid(pe)指出pe 的类型,即指向employee 的指针,它与表达式 typeid(employee*)相等。而其他比较的结果都是false。
当表达式*pe 被用在typeid上时,结果指出pe 指向的底层对象的类型
typeid( *pe ) == typeid( manager ) // true
typeid( *pe ) == typeid( employee ) // false
在这两个比较中,因为*pe 是一个类类型的表达式,该类带有虚拟函数,所以typeid的结果指出操作数所指的底层对象的类型,即manager 。
typeid操作符也可以被用在引用上。例如
typeid( re ) == typeid( manager ) // true
typeid( re ) == typeid( employee ) // false
typeid( &re ) == typeid( employee* ) // true
typeid( &re ) == typeid( manager* ) // false
在前两个比较中,操作数re 是带有虚拟函数的类类型。因此 typeid操作数的结果指出 re指向的底层对象的类型。在后两个比较中,操作数&re 是一个类型指针,因此 typeid操作符的结果指出操作数的类型,即 employee* 。