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RTTI下的C++的向下转型

RTTI下的C++的向下转型

作者: 诗人和酒 | 来源:发表于2021-01-15 14:21 被阅读0次

    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 :

    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;

    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:

    Basebobj;Deriveddobj=static_cast(bobj);//error,Deriveddobj=(Derived)(bobj);//error但如下语句是正确的:Deriveddobj;Basebobj=(Base)dobj;//正确,造成对象切割Basebobj=static_cast(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

    Basebobj;Base*pb=&bobj;Derived*pd=(Derived*)pb;//方式一Derived*pd=static_cast(pb);//方式二Derived*pd=dynamic_cast(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

    Basebobj;Deriveddobj;Derived&dref=(Derived&)(bobj);//方式一Derived&dref=static_cast(bobj);//方式二Derived&dref=dynamic_cast(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

    Deriveddobj;Base&bref=dobj;Derived&dref=(Derived&)(bref);Derived&dref=static_cast(bref);Derived&dref=dynamic_cast(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:

    intiobj;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:

    classBase{/* 没有虚拟函数 */};classDerived:publicBase{/* 没有虚拟函数 */};Deriveddobj;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:

    classBase{/* 有虚拟函数 */};classDerived:publicBase{};Deriveddobj;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

    #includeemployee *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* 。

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