C++_新特性2-RTTI运行阶段类型识别

这部分属于C++的新特性，感觉比较高阶的特性。我把它归于属于奇技淫巧的范畴。了解即可。

RTTI是运行阶段类型识别（Runtime Type Identification）的简称。

这是添加到C++中的新特性。

很多老式的编译器不支持它，或者可能包含开关RTTI的编译器设置。

RTTI旨在位程序在运行阶段确定对象的类型提供一种标准方式。

很多类库已经为其对象提供了实现这种功能的方式，但是由于C++内部不支持，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。

一、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，而该地址可以被赋值给基类的指针。

但是如何知道指针指向的是哪种对象呢？

    在回答这个问题之前，首先要考虑为何要知道对象类型。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，并不真正需要知道对象的类型。

但派生对象可能包含而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。

二、RTTI的工作原理

C++有3个支持RTTI的元素

　　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运算符返回一个而支出对象的类型的值。

　　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。

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

     这个运算符不能够回答“指针指向的是哪类对象”这样的问题。但是能够回答“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。我们来看一下这意味着什么？

假设有下面这样的类层次结构：

　　class Grand { }

　　class Superb { }

　　class Magnificent { }

接下来假设有下面的指针：
Grand * pg = new Grand;

Grand * ps = new Superb;

Grand * pm = new Magnificent;

最后，对于下面的类型转换：

Magnificent * p1 = (Mginificent *) pm;      //#1

Magnificent * p2 = (Magnificent *) pg;      //#2

Superb * p3 = (Magnificent *) pm;           //#3

#1 是安全的，因为对象是Magnificent类型，而指针也是Magnificent派生类类型；

#2 是不安全的，因为对象是Grand基类类型，而指针是Magnificent派生类类型；

#3 是安全的，因为它将派生类Magnificent对象赋值给直接基类Superb类型的指针；

对于派生类对象Magnifcent将其地址赋值给三种类型的指针都是安全的。

虚函数确保了这3种指针中的任何一种指向Magnificent对象时，都将调用Magnificent方法。

这里要注意一下，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”更加通用，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。

接下来看一个使用dynamic_cast例子：

Superb * pm = dynamic_cast<Superb *>(pg);

其中pg指向一个对象，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。

　　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：

　　　　dynamic_cast<Type *>(pt)

　　否则，结果为0，返回空指针。 

//rtti1.cpp  -- using the RTTI dyanmic_cast operator
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>

using std::cout;
class Grand
{
private:
    int hold;
public:
    Grand(int h =0): hold(h) {}
    virtual void Speak() const {cout<<"I am a grand class!
";}
    virtual int Value() const {return hold;}
};

class Superb : public Grand
{
public:
    Superb(int h =0):Grand(h) {}
    void Speak() const {cout<<"I am a superb class!
";}
    virtual void Say() const
        {cout<<"I hod the superb value of"<<Value()<<"!
";}    
};

class Magnificent : public Superb
{
private:
    char ch;
public:
    Magnificent(int h = 0, char c = 'A'):Superb(h),ch(c) {}
    void Speak() const {cout<<"I am a magnificent class!!!
";}
    void Say() const {cout<<" I hold the character "<<ch<<" and the integer"<<Value()<<"!
";}  
};

Grand * GetOne();

int main()
{
    std::srand(std::time(0));
    Grand * pg;
    Superb * ps;
    for (int i = 0; i<5; i++)
    {
        pg = GetOne();
        pg->Speak();
        if (ps = dynamic_cast<Superb *>(pg))
            ps->Say();
    }
    return 0;
}

Grand * GetOne()
{
    Grand * p;
    switch(std::rand() %3)
    {
        case 0: p = new Grand(std::rand() % 100);
                    break;
        case 1: p = new Superb(std::rand() % 100);
                    break;
        case 2: p = new Magnificent(std::rand() % 100, 'A'+std::rand()%26);
                    break;
    }
    return p;
}
    

程序说明：

顶一个一个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。

循环将该指针赋给Grand * 变量 pg,然后用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。

但是不能用相同的方式来调用Say()函数，因为Grand类没有定义它。但是可以使用dynamic_cast运算符来检查是否可以将pg的类型安全转换为Superb指针。

如果对象的类型为Superb或Magnificent的话，则可以安全转换。这样就可以安全地调用Say()函数。

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运算符返回一个队type_info对象的引用，其中，type_info是在头文件typeinfo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true或者为false。

　　typeid(Magnificent) == typeif(*pg)

如果*pg是一个空指针，程序将引发bad_typeid的异常。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。

 

接下来程序对上段程序做了一些修改，以使用typeid运算符和name()成员的函数。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。

//rtti2.cpp -- using dynamic_cast, typeid, and type_info
#include <iostream>
#include <cstdlib>
#include <ctime>
#include <typeinfo>
using namespace std;

class Grand
{
private:
    int hold;
public:
    Grand(int h = 0):hold(h) {}
    virtual void Speak() const {cout<<"I am a grand class!
";}
    virtual int Value() const {return hold;}
};


class Superb:public Grand
{
public:
    Superb(int h = 0):Grand(h)  {}
    void Speak() const {cout<<"I am a superb class!!
";}
    virtual void Say() const
        {cout<<"I hold the superb value of "<<Value()<<"!
";}
};


class Magnificent : public Superb
{
private:
    char ch;
public:
    Magnificent(int h =0, char cv = 'A'):Superb(h),ch(cv) {}
    void Speak() const {cout << "I am a magnificent class!!
"}
    virtual void Say() const
        {coust << "I hold ther character "<<ch<<"and the integer"<<Value()<<"!
";}
};

Grand * GetOne();
int main()
{
    srand(time(0));
    Grand * pg;
    Superb * ps;
    for(int i = 0; i<5; i++)
    {
        pg = GetOne();
        cout<<"Now processing type "<<typeid(*pg).name()<<".
";
        pg ->Speak();
        if (ps = dynamic_cast<Superb *>(pg))
            ps ->Say();
        if(typeid(Magnificent)==typeid(*pg))
            cout<<"Yes, you're really magnificent.
";
    }
    return 0;
}

Grand * GetOne()
{
    Grand * p;
    switch (rand() % 3)
    {
        case 0 :  p = new Grand(rand() %100);
                            break;
        case 1 :  p = new Superb(rand() %100);
                            break;
        case 2 :  p = new Magnificent(rand() %100, 'A'+rand())%26);
                            break;
    }
    return p;
}

3、误用RTTI的例子

 　　接下来讨论，对RTTI应避免的编程方式：

Grand * pg;

Superb * ps;

for(int i =0; i<5; i++)

{

　　pg = GetOne(0;

　　pg->Speak();

　　if(ps = dynamic_cast<Superb *>(pg))

　　　　ps->Say();

}

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：

Grand * pg;

Superb * ps;

Magnificent * pm;

for(int i = 0; i<5; i++)

{

    pg = Getone();

    if ( typeid(Magnificent) == typeid(*pg))

    {

        pm = (Magnificent *) pg;

        pm -> Speak();

        pm ->Say();

    }

    else if (typeid(Superb) == typeid(*pg))

    {

        ps = (Superb *)pg;

        ps -> Speak();

        ps -> Say();

    }

    else

        pg->Speak();

}

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，假设你发现必须从Magnificent类派生出一个Insufferable类，而后者需要重新定义Speak()和Say()。

用typeid来显式地测试每种类型时，就需要修改for循环的代码，添加一个else if，但无需修改原来的版本。

下面的语句适合所有从Grand派生而来的类：

pg -> Speak();

而下面的语句适用于所有从Superb派生而来的类：

if (ps = dynamic_cast<Superb *>(pg))

　　ps ->Say();

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。