C/C++雜記：運行時類型識別（RTTI）與動態類型轉換原理

運行時類型識別（RTTI）的引入有三個做用：

1. 配合typeid操做符的實現；
2. 實現異常處理中catch的匹配過程；
3. 實現動態類型轉換dynamic_cast。

1. typeid操做符的實現

1.1. 靜態類型的情形

C++中支持使用typeid關鍵字獲取對象類型信息，它的返回值類型是const std::type_info&，例：

#include <typeinfo>
#include <cassert>
struct B {} b, c;
struct D : B {} d;
void test() {
    const std::type_info& tb = typeid(b); 
    const std::type_info& tc = typeid(c); 
    const std::type_info& td = typeid(d);
    assert(tb == tc);   // b和c具備相同的類型
    assert(&tb == &tc); // tb和tc引用的是相同的對象
    assert(tb != td);   // 雖然D是B的子類，可是b和d的類型卻不一樣
    assert(&tb != &td); // tb和td引用的是不一樣的對象
}

理論上講，編譯器會爲每一種類型生成一個能惟一標識該類型的類型信息對象，typeid返回的就是該對象的引用。

經過查看clang編譯器生成的LLVM彙編程序（LLVM彙編程序比本地彙編程序可讀性較強），能夠證實這一點。
使用clang編譯上述源碼：「clang -S -emit-llvm test.cpp -o -」，生成LLVM彙編程序包含如下信息（爲了方便閱讀，省略了部分無關內容）：

@_ZTI1B = linkonce_odr constant { i8*, i8* } { ... }
@_ZTI1D = linkonce_odr constant { i8*, i8*, i8* } { ... }

define void @_Z4testv() #0 {
  %tb = alloca %"class.std::type_info"*, align 8
  %tc = alloca %"class.std::type_info"*, align 8
  %td = alloca %"class.std::type_info"*, align 8
  store bitcast ({ i8*, i8* }* @_ZTI1B to %"class.std::type_info"*), %tb, align 8
  store bitcast ({ i8*, i8* }* @_ZTI1B to %"class.std::type_info"*), %tc, align 8
  store bitcast ({ i8*, i8*, i8* }* @_ZTI1D to %"class.std::type_info"*), %td, align 8
  ...

其中：

• @_ZTI1B 和@_ZTI1D 是兩個全局變量，用以存儲std::type_info（或者其子類）對象。
• 上述LLVM彙編程序中還列出了test()函數的起始部份內容，其中將@_ZTI1B 存儲於%tb和%tc，將@_ZTI1D 存儲於%td，正好對應原程序中的引用初始化語句。

附加說明：

• LLVM彙編語言也稱之爲LLVM中間表示（IR, Intermediate Representation），其中全局變量以「@」開頭。詳細請參見：LLVM Language Reference Manual。
• _ZTI1B和_ZTI1D是通過名字修飾（name mangling）修飾以後的變量名，linux下可使用c++filt命令還原成可讀形式（例如：c++filt _ZTI1B輸出「typeinfo for B」，說明_ZTI1B是標識B類型的全局變量）。

1.2. 動態類型的情形

當typeid的操做數引用的是一個動態類（含有虛函數的類） 類型時，它的返回值是被引用對象對應類型的類型信息對象，例：

#include <typeinfo>
#include <cassert>
struct B { virtual void foo() {} };
struct C { virtual void bar() {} };
struct D : B, C {};
void test() {
    D d;
    B& rb = d;
    C& rc = d;
    assert(typeid(rb) == typeid(d));  // rb引用的類型與d相同
    assert(typeid(rb) == typeid(rc)); // rb引用的類型與rc引用的類型相同
}

編譯時可能還不知道rb或rc引用的類型，運行時怎麼能判斷該返回基類仍是派生類對應的類型信息對象呢？

還記得「C/C++雜記：深刻虛表結構」一文中講過的-fdump-class-hierarchy選項吧，用它將D的虛表打印出來以下：

可見，不管是「主虛表」仍是「次虛表」，其中的RTTI信息位置都是&_ZTI1D（即D類型對應的類型信息對象）。

正是利用了這一點，運行時即可以經過vptr找到「虛函數表」，而「虛函數表」以前的一個位置存放了須要的類型信息對象，typeid能夠直接返回這裏的類型信息對象引用便可。
下面的圖示描述了這一過程：

2. 實現異常處理中catch的匹配過程

catch的匹配過程也可利用與typeid類似的原理進行類型匹配判斷，此再也不贅述。

3. 動態類型轉換（dynamic_cast）

說明：本節不考慮虛擬繼承的情形。

先上一個例子：

轉換過程：
(1) 對#2來講最爲簡單，首先獲取RTTI對象，RTTI對象與目標類型信息對象一致，而偏移值也爲0，因此只用返回源地址（pb）便可。
(2) 對#1和#3來講，RTTI對象與目標類型信息對象一致，可是有偏移值-8，因此返回值爲「(char*)pa + (-8)」或「(char*)pc + (-8)」。
(3) 對#4來講，RTTI對象與目標類型信息對象不一致，可是目標類型C 是RTTI對象表示類型（D）是基類（後面會討論如何判斷繼承關係），所以轉換也是可行的。

用clang編譯上述源碼，生成LLVM彙編程序以下（已做簡化）：

@_ZTI1A= linkonce_odr constant { i8*, i8* } { ... }
@_ZTI1B= linkonce_odr constant { i8*, i8* } { ... }
@_ZTI1C= linkonce_odr constant { i8*, i8*, i8* } {..., i8* bitcast ({ i8*, i8* }* @_ZTI1A to i8*) }
@_ZTI1D= linkonce_odr constant { i8*, i8*, i32, i32, i8*, i64, i8*, i64 } { ...,
        i8* bitcast ({ i8*, i8* }* @_ZTI1B to i8*), i64 2,
        i8* bitcast ({ i8*, i8*, i8* }* @_ZTI1C to i8*), i64 2050
    }

從中能夠看出，RTTI對象中存放的內容還包括基類的RTTI對象指針，成樹狀結構：

所以繼承關係能夠經過此樹狀結構判斷，有了繼承關係，再遞歸從虛表中查找基類子對象在派生類中的偏移值，即可以肯定最終返回地址。

4. 參考

(1) Itanium C++ ABI

(2) LLVM Language Reference Manual

(3) libc++abi源碼（private_typeinfo.h文件）