Question

RTTI 是运行阶段类型识别（Runtime Type Identification）的简称。这是新添加到 C++中的特性之一，很多老式实现不支持。另一些实现可能包含开关 RTTI 的编译器设置。RTTI 旨在为程序在运行阶段确定对象的类型提供一种标准方式。很多类库已经为其类对象提供了实现这种功能的方式，但由于 C++内部并不支持，因此各个厂商的机制通常互不兼容。创建一种 RTTI 语言标准将使得未来的库能够彼此兼容。

15.4.1 RTTI 的用途

假设有一个类层次结构，其中的类都是从同一个基类派生而来的，则可以让基类指针指向其中任何一个类的对象。这样便可以调用这样的函数：在处理一些信息后，选择一个类，并创建这种类型的对象，然后返回它的地址，而该地址可以被赋给基类指针。如何知道指针指向的是哪种对象呢？

在回答这个问题之前，先考虑为何要知道类型。可能希望调用类方法的正确版本，在这种情况下，只要该函数是类层次结构中所有成员都拥有的虚函数，则并不真正需要知道对象的类型。但派生对象可能包含不是继承而来的方法，在这种情况下，只有某些类型的对象可以使用该方法。也可能是出于调试目的，想跟踪生成的对象的类型。对于后两种情况，RTTI 提供解决方案。

15.4.2 RTTI 的工作原理

C++有 3 个支持 RTTI 的元素。

• 如果可能的话，dynamic_cast 运算符将使用一个指向基类的指针来生成一个指向派生类的指针；否则，该运算符返回 0——空指针。
• typeid 运算符返回一个指出对象的类型的值。
• type_info 结构存储了有关特定类型的信息。

只能将 RTTI 用于包含虚函数的类层次结构，原因在于只有对于这种类层次结构，才应该将派生对象的地址赋给基类指针。

警告：

RTTI 只适用于包含虚函数的类。

下面详细介绍 RTTI 的这 3 个元素。

1．dynamic_cast 运算符

dynamic_cast 运算符是最常用的 RTTI 组件，它不能回答“指针指向的是哪类对象”这样的问题，但能够回答“是否可以安全地将对象的地址赋给特定类型的指针”这样的问题。我们来看一看这意味着什么。假设有下面这样的类层次结构：

接下来假设有下面的指针：

最后，对于下面的类型转换：

哪些是安全的？根据类声明，它们可能全都是安全的，但只有那些指针类型与对象的类型（或对象的直接或间接基类的类型）相同的类型转换才一定是安全的。例如，类型转换#1 就是安全的，因为它将 Magificent 类型的指针指向类型为 Magnificent 的对象。类型转换#2 就是不安全的，因为它将基数对象（Grand）的地址赋给派生类（Magnificent）指针。因此，程序将期望基类对象有派生类的特征，而通常这是不可能的。例如，Magnificent 对象可能包含一些 Grand 对象没有的数据成员。然而，类型转换#3 是安全的，因为它将派生对象的地址赋给基类指针。即公有派生确保 Magnificent 对象同时也是一个 Superb 对象（直接基类）和一个 Grand 对象（间接基类）。因此，将它的地址赋给这 3 种类型的指针都是安全的。虚函数确保了将这 3 种指针中的任何一种指向 Magnificent 对象时，都将调用 Magnificent 方法。

注意，与问题“指针指向的是哪种类型的对象”相比，问题“类型转换是否安全”更通用，也更有用。通常想知道类型的原因在于：知道类型后，就可以知道调用特定的方法是否安全。要调用方法，类型并不一定要完全匹配，而可以是定义了方法的虚拟版本的基类类型。下面的例子说明了这一点。

然而，先来看一下 dynamic_cast 的语法。该运算符的用法如下，其中 pg 指向一个对象：

这提出了这样的问题：指针 pg 的类型是否可被安全地转换为 Superb *？如果可以，运算符将返回对象的地址，否则返回一个空指针。

注意：

通常，如果指向的对象（*pt）的类型为 Type 或者是从 Type 直接或间接派生而来的类型，则下面的表达式将指针 pt 转换为 Type 类型的指针：

否则，结果为 0，即空指针。

程序清单 15.17 演示了这种处理。首先，它定义了 3 个类，名称为 Grand、Superb 和 Magnificent。Grand 类定义了一个虚函数 Speak( )，而其他类都重新定义了该虚函数。Superb 类定义了一个虚函数 Say( )，而 Manificent 也重新定义了它（参见图 15.4）。程序定义了 GetOne( ) 函数，该函数随机创建这 3 种类中某种类的对象，并对其进行初始化，然后将地址作为 Grand*指针返回（GetOne( ) 函数模拟用户做出决定）。循环将该指针赋给 Grand *变量 pg，然后使用 pg 调用 Speak( ) 函数。因为这个函数是虚拟的，所以代码能够正确地调用指向的对象的 Speak( ) 版本。

然而，不能用相同的方式（即使用指向 Grand 的指针）来调用 Say( ) 函数，因为 Grand 类没有定义它。然而，可以使用 dynamic_cast 运算符来检查是否可将 pg 的类型安全地转换为 Superb 指针。如果对象的类型为 Superb 或 Magnificent，则可以安全转换。在这两种情况下，都可以安全地调用 Say( ) 函数：

赋值表达式的值是它左边的值，因此 if 条件的值为 ps。如果类型转换成功，则 ps 的值为非零（true）；如果类型转换失败，即 pg 指向的是一个 Grand 对象，ps 的值将为 0（false）。程序清单 15.17 列出了所有的代码。顺便说一句，有些编译器可能会对无目的赋值（在 if 条件语句中，通常使用= =运算符）提出警告。

图 15.4 Grand 类系列

程序清单 15.17 rtti1.cpp

注意：

即使编译器支持 RTTI，在默认情况下，它也可能关闭该特性。如果该特性被关闭，程序可能仍能够通过编译，但将出现运行阶段错误。在这种情况下，您应查看文档或菜单选项。

程序清单 15.17 中程序说明了重要的一点，即应尽可能使用虚函数，而只在必要时使用 RTTI。下面是该程序的输出：

正如您看到的，只为 Superb 和 Magnificent 类调用了 Say( ) 方法（每次运行时输出都可能不同，因为该程序使用 rand( ) 来选择对象类型）。

也可以将 dynamic_cast 用于引用，其用法稍微有点不同：没有与空指针对应的引用值，因此无法使用特殊的引用值来指示失败。当请求不正确时，dynamic_cast 将引发类型为 bad_cast 的异常，这种异常是从 exception 类派生而来的，它是在头文件 typeinfo 中定义的。因此，可以像下面这样使用该运算符，其中 rg 是对 Grand 对象的引用：

2．typeid 运算符和 type_info 类

typeid 运算符使得能够确定两个对象是否为同种类型。它与 sizeof 有些相像，可以接受两种参数：

• 类名；
• 结果为对象的表达式。

typeid 运算符返回一个对 type_info 对象的引用，其中，type_info 是在头文件 typeinfo（以前为 typeinfo.h）中定义的一个类。type_info 类重载了= =和!=运算符，以便可以使用这些运算符来对类型进行比较。例如，如果 pg 指向的是一个 Magnificent 对象，则下述表达式的结果为 bool 值 true，否则为 false：

如果 pg 是一个空指针，程序将引发 bad_typeid 异常。该异常类型是从 exception 类派生而来的，是在头文件 typeinfo 中声明的。

type_info 类的实现随厂商而异，但包含一个 name( ) 成员，该函数返回一个随实现而异的字符串：通常（但并非一定）是类的名称。例如，下面的语句显示指针 pg 指向的对象所属的类定义的字符串：

程序清单 15.18 对程序清单 15.17 作了修改，以使用 typeid 运算符和 name( ) 成员函数。注意，它们都适用于 dynamic_cast 和 virtual 函数不能处理的情况。typeid 测试用来选择一种操作，因为操作不是类的方法，所以不能通过类指针调用它。name( ) 方法语句演示了如何将方法用于调试。注意，程序包含了头文件 typeinfo。

程序清单 15.18 rtti2.cpp

程序清单 15.18 所示程序的运行情况如下：

与前一个程序的输出一样，每次运行该程序的输出都可能不同，因为它使用 rand( ) 来选择类型。另外，调用 name() 时，有些编译器可能提供不同的输出，如 5Grand（而不是 Grand）。

3．误用 RTTI 的例子

C++界有很多人对 RTTI 口诛笔伐，他们认为 RTTI 是多余的，是导致程序效率低下和糟糕编程方式的罪魁祸首。这里不讨论对 RTTI 的争论，而介绍一下应避免的编程方式。

请看程序清单 15.17 的核心代码：

通过放弃 dynamic_cast 和虚函数，而使用 typeid，可以将上述代码重新编写为：

上述代码不仅比原来的更难看、更长，而且显式地指定各个类存在严重的缺陷。例如，假设您发现必须从 Magnificent 类派生一个 Insufferable 类，而后者需要重新定义 Speak( ) 和 Say( )。使用 typeid 来显示地测试每个类型时，必须修改 for 循环的代码，添加一个 else if，但无需修改原来的版本。下面的语句适用于所有从 Grand 派生而来的类：

而下面的语句适用于所有从 Superb 派生而来的类：

提示：

如果发现在扩展的 if else 语句系列中使用了 typeid，则应考虑是否应该使用虚函数和 dynamic_cast。