C++：從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度聊聊RTTI

第一次接觸RTTI，是在<<深度探索c++對象模型>>這本書中，當(dāng)時(shí)對這塊的理解比較淺，可能因?yàn)橹R積累不足吧。后面在工作中用到的越來越多，也逐漸加深了對其認(rèn)識，但一直沒有一個(gè)系統(tǒng)的認(rèn)知，所以抽出一段時(shí)間，把這塊內(nèi)容整理下。

背景

RTTI的英文全稱是"Runtime Type Identification"，中文稱為"運(yùn)行時(shí)類型識別"，它指的是程序在運(yùn)行的時(shí)候才確定需要用到的對象是什么類型的。用于在運(yùn)行時(shí)（而不是編譯時(shí)）獲取有關(guān)對象的信息。

在C++中，由于存在多態(tài)行為，基類指針或者引用指向一個(gè)派生類，而其指向的真正類型，在編譯階段是無法知道的：

Base*b=newDerived;
Base&b1=*b;

在上述代碼中，如果想知道b的具體類型，只能通過其他方式，而RTTI正是為了解決此問題而誕生，也就是說在運(yùn)行時(shí)，RTTI可以通過特有的方式來告訴調(diào)用方其所調(diào)用的對象具體信息，一般有如下幾種：

• ?typeid操作符

• ?type_info類

• ?dynamic_cast操作符

typeid 和 type_info

typeid是C++的關(guān)鍵字之一，等同于sizeof這類的操作符。用來獲取類型、變量、表達(dá)式的類型信息，適用于C++基礎(chǔ)類型、內(nèi)置類、用戶自定義類、模板類等。有如下兩種形式：

• ?typeid(type)

• ?typeid(expr)

用法如下：

#include
#include
#include

classBase{
public:
virtualfloatf(){
return1.0;
}

virtual~Base(){}
};

classDerived:publicBase{
};

intmain(){
Base*p=newDerived;
Base&r=*p;
assert(typeid(p)==typeid(Base*));
assert(typeid(p)!=typeid(Derived*));
assert(typeid(r.f())==typeid(float));

constchar*name=typeid(p).name();

std::cout<return0;
}

返回值

在上面的例子中，用到了了typeid(xxx).name()，通過其名稱可以看出name()函數(shù)返回的是具體類型的變量名稱(以字符串的方式)，那么typeid()的類型又是什么？

在翻閱了cppreference之后了解到，typeid操作符的結(jié)果是名為type_info的標(biāo)準(zhǔn)庫類型的對象的引用（在頭文件中定義），或者說typeid表達(dá)式的類型是const std::type_info&。

ISO C++標(biāo)準(zhǔn)并沒有對type_info有明確的要求，僅僅要求必須有以下幾個(gè)行為接口：

• ? t1 == t2 // 如果兩個(gè)對象t1和t2類型相同，則返回true；否則返回false

• ? t1 != t2 // 如果兩個(gè)對象t1和t2類型不同，則返回true；否則返回false

• ?t.name() // 返回類型的C-style字符串

• ?t1.before(t2) // 抱歉，我沒用過

正是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)對type_info做了有限的規(guī)定，這就使得每個(gè)編譯器廠商對type_info類的實(shí)現(xiàn)均不相同，從而使得函數(shù)功能也不盡相同。以常用的函數(shù)typeid().name()舉例，int和Base(自定義類)在VS下輸出分別為int和Base，而在gcc編譯器下，其輸出為i和4Base，又比如typeid(std::vector).name()在gcc下輸出為St6vectorIiSaIiEE，這是因?yàn)榫幾g期對名稱進(jìn)行了mangle，如果我們想得到跟VS下一樣結(jié)果的話，可以采用如下方式：

#include
#include
#include
#include
#include
#include

std::stringdemangle(constchar*name){
intstatus=-4;
std::unique_ptr<char,void(*)(void*)>res{
abi::__cxa_demangle(name,NULL,NULL,&status),
std::free
};
return(status==0)?res.get():name;
}

intmain(){
std::vector<int>v;
std::cout<"before:"<typeid(v).name()<"after:"<demangle(typeid(v).name())<return0;
}

輸出如下：

before:St6vectorIiSaIiEEafter:std::vector<int,std::allocator<int>>

下面是gcc編譯器對type_info類的定義(僅抽取了聲明部分)，如果有興趣的讀者可以點(diǎn)擊鏈接自行閱讀：

classtype_info{
public:
virtual~type_info();
constchar*name()const;
boolbefore(consttype_info&__arg)const;
booloperator==(consttype_info&__arg)const;
boolbefore(consttype_info&__arg)const;
booloperator==(consttype_info&__arg)const;
boolbefore(consttype_info&__arg)const;
booloperator==(consttype_info&__arg)const;
booloperator!=(consttype_info&__arg)const;
size_thash_code()constthrow();
virtualbool__is_pointer_p()const;
virtualbool__is_function_p()const;
virtualbool__do_catch(consttype_info*__thr_type,void**__thr_obj,
unsigned__outer)const;
virtualbool__do_upcast(const__cxxabiv1::__class_type_info*__target,
void**__obj_ptr)const;
protected:
constchar*__name;
explicittype_info(constchar*__n):__name(__n){}
private:
type_info&operator=(consttype_info&);
type_info(consttype_info&);
};

從上述定義可以看出，其析構(gòu)函數(shù)聲明為virtual，至少可以說明其存在子對象，那么子對象又是如何被使用的呢？

其實(shí)，type_info可以當(dāng)做一個(gè)接口類(通過調(diào)用typeid()獲取type_info對象，實(shí)際上返回的是一個(gè)指向子類對象的type_info引用)，其有多個(gè)子類，對于有虛函數(shù)的類來說，在虛函數(shù)表中有一個(gè)slot專門用來存儲(chǔ)該對象的信息，這塊內(nèi)容在文章后面將有詳細(xì)說明。

實(shí)現(xiàn)

在前面有提到，typeid()會(huì)返回一個(gè)const std::type_info&對象，其中存儲(chǔ)這對象的基本信息，那么如果其類型對象為多態(tài)和非多態(tài)時(shí)候，其又有什么區(qū)別呢？

如果類型對象至少包含一個(gè)虛函數(shù)，那么typeid操作符的類型是運(yùn)行時(shí)的事情，也就是說在運(yùn)行時(shí)才能獲取到其真正的類型信息；否則，在編譯期就能獲取其具體類型，甚至在某些情況下，可以對typeid()的結(jié)果直接進(jìn)行替換。

多態(tài)

多態(tài)，我們知道經(jīng)常用于運(yùn)行時(shí)，也就是說在運(yùn)行時(shí)刻才會(huì)知道其指針或者引用指向的具體類型，如果要對一個(gè)包含虛函數(shù)的對象獲取其類型信息(typeid)，那么也是在運(yùn)行時(shí)才能具體知道，舉例如下：

#include
#include

classBase
{
public:
virtualvoidfun(){}
};

classDerived:publicBase
{
public:
voidfun(){}
};

voidfun(Base*b){
conststd::type_info&info=typeid(b);
}

intmain(){
Base*b=newDerived;
fun(b);

return0;
}

上述代碼匯編后(只取了部分關(guān)鍵代碼)，如下所示：

fun(Base*):
pushrbp
movrbp,rsp
movQWORDPTR[rbp-24],rdi
movQWORDPTR[rbp-8],OFFSETFLAT:typeinfoforBase*
poprbp
ret
vtableforDerived:
.quad0
.quadtypeinfoforDerived
.quadDerived::fun()
vtableforBase:
.quad0
.quadtypeinfoforBase
.quadBase::fun()
typeinfonameforBase*:
.string"P4Base"
typeinfoforBase*:
.quadvtablefor__cxxabiv1::__pointer_type_info+16
.quadtypeinfonameforBase*
.long0
.zero4
.quadtypeinfoforBase
typeinfonameforDerived:
.string"7Derived"
typeinfoforDerived:
.quadvtablefor__cxxabiv1::__si_class_type_info+16
.quadtypeinfonameforDerived
.quadtypeinfoforBase
typeinfonameforBase:
.string"4Base"
typeinfoforBase:
.quadvtablefor__cxxabiv1::__class_type_info+16
.quadtypeinfonameforBase

首先，我們看fun()函數(shù)的匯編(fun(Base*):處)，在其中有一行OFFSET FLAT:typeinfo for Base*代表獲取Base指針?biāo)赶驅(qū)ο蟮膖ypeinfo。那么typeinfo又是如何獲取的呢？

我們以Base指針實(shí)際指向Derived對象為例，vtable for Derived:部分代表著Derived類的虛函數(shù)表內(nèi)容，其中有一行typeinfo for Derived代表著Derived類的typeinfo信息，而在該段中有一句typeinfo name for Derived代表著該類的名稱(7Derived經(jīng)過mangle之后，該句在上述代碼中可以找到)。

綜上內(nèi)容，可以知道，對于存在虛函數(shù)的類來說，其對象的typeinfo信息存儲(chǔ)在該類的虛函數(shù)表中。在運(yùn)行時(shí)刻，根據(jù)指針的實(shí)際指向，獲取其typeinfo()信息，從而進(jìn)行相關(guān)操作。

其實(shí)，不難看出，上述匯編基本列出了類的對象布局，但仍然不是很清晰，gcc提供了一個(gè)參數(shù)-fdump-class-hierarchy，可以輸出類的布局信息，仍然以上述代碼為例，其布局信息如下：

VtableforBase
Base:3uentries
0(int(*)(...))0
8(int(*)(...))(&_ZTI4Base)
16(int(*)(...))Base::fun

ClassBase
size=8align=8
basesize=8basealign=8
Base(0x0x7f59773402a0)0nearly-empty
vptr=((&Base::_ZTV4Base)+16u)

VtableforDerived
Derived:3uentries
0(int(*)(...))0
8(int(*)(...))(&_ZTI7Derived)
16(int(*)(...))Derived::fun

ClassDerived
size=8align=8
basesize=8basealign=8
Derived(0x0x7f59773756e8)0nearly-empty
vptr=((&Derived::_ZTV7Derived)+16u)
Base(0x0x7f5977340300)0nearly-empty
primary-forDerived(0x0x7f59773756e8)

我們注意查看，以_ZTI開頭的代表類型信息，也就是Type Info的意思(至于以_Z的意思嘛，我理解的是編譯器的行為)，那么_ZTI7Derived前面的_ZTI代表類型信息，而后面7代表類名(Derived)的長度，最后面的代表類名。通過上面內(nèi)存布局信息可以看出，在虛函數(shù)表中存在一項(xiàng)_ZTI7Derived，其中存儲(chǔ)著該對類的類型信息。

如果想要知道其具體名稱，可以使用c++filt來查看，如下：

c++filt_ZTI7Derived
typeinfoforDerived

非多態(tài)

代碼如下：

#include
#include
#include

classMyClss{

};

intmain(){
MyClsss;
conststd::type_info&info=typeid(s);

return0;
}

在上述代碼中，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)空類MyClass，然后在main()中，獲取該類對象的typeinfo，上述代碼匯編如下：

main:
pushrbp
movrbp,rsp
movQWORDPTR[rbp-8],OFFSETFLAT:typeinfoforMyClss
moveax,0
poprbp
ret
typeinfonameforMyClss:
.string"6MyClss"
typeinfoforMyClss:
.quadvtablefor__cxxabiv1::__class_type_info+16
.quadtypeinfonameforMyClss

我們注意下在源碼中的第三行即const std::type_info &info = typeid(s);對應(yīng)匯編的第三行即QWORD PTR [rbp-8], OFFSET FLAT:typeinfo for MyClss，從而可以看出，在編譯期，編譯器已經(jīng)知道了對象的具體信息，進(jìn)而可以在某些情況下，直接由編譯器進(jìn)行替換(比如typeinf().name()操作等)。

dynamic_cast

記得在幾年前的一次面試中，面試官提了個(gè)問題，對于dynamic_cast，如果操作失敗了會(huì)有什么行為？當(dāng)時(shí)對這塊理解的也不深，所以僅僅回答了：對于指針類型轉(zhuǎn)換，如果失敗，則返回NULL，而對于引用，轉(zhuǎn)換失敗就拋出bad_cast。

作為C++開發(fā)人員，基本都知道dynamic_cast是C++中幾個(gè)常用的類型轉(zhuǎn)換符之一，其通過類型信息(typeinfo)進(jìn)行相對安全的類型轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換時(shí)，會(huì)檢查轉(zhuǎn)換的src對象是否真的可以轉(zhuǎn)換成dst類型。dynamic_cast轉(zhuǎn)換符只能用于含有虛函數(shù)的類，因此其常常用于運(yùn)行期，對于不包括虛函數(shù)的類，完全可以使用其它幾個(gè)轉(zhuǎn)換符在編譯期進(jìn)行轉(zhuǎn)換。通常來說，其類型轉(zhuǎn)換分為向上轉(zhuǎn)換和向下轉(zhuǎn)換兩種，如下圖所示：

實(shí)例代碼如下：

#include
#include

classBase1{
public:
voidf0(){}
virtualvoidf1(){}
inta;
};

classBase2{
public:
virtualvoidf2(){}
intb;
};

classDerived:publicBase1,publicBase2{
public:
voidd(){}
voidf2(){}//overrideBase2::f2()
intc;
};

intmain(){
Derived*d=newDerived;
Base1*b1=newDerived;
Base2*b2=dynamic_cast(d);//upcasting向上轉(zhuǎn)換
Derived*d1=dynamic_cast(b1);//downcasting向下轉(zhuǎn)換

return0;
}

實(shí)現(xiàn)

通過查閱資料，發(fā)現(xiàn)dynamic_cast最終會(huì)調(diào)用libstdc++中的__dynamic_cast函數(shù)，所以曾經(jīng)以為__dynamic_cast函數(shù)就是dynamic_cast的實(shí)現(xiàn)版本，但是通過對比參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并非如此：

dynamic_cast(t);//只有一個(gè)參數(shù)

//__dynamic_cast聲明
__dynamic_cast(constvoid*src_ptr,//objectstartedfrom
const__class_type_info*src_type,//typeofthestartingobject
const__class_type_info*dst_type,//desiredtargettype
ptrdiff_tsrc2dst)//howsrcanddstarerelated

所以，有沒有可能__dynamic_cast只是dynamic_cast的一個(gè)分支實(shí)現(xiàn)？

為了驗(yàn)證猜測，示例如下：

#include
#include

classBase1{
public:
voidf0(){}
virtualvoidf1(){}
inta;
};

classBase2{
public:
virtualvoidf2(){}
intb;
};

classDerived:publicBase1,publicBase2{
public:
voidd(){}
voidf2(){}//overrideBase2::f2()
intc;
};

template<classT>
intCheckType(Tt){
intn=0;
if(dynamic_cast(t)){
n|=1;
}
if(dynamic_cast(t)){
n|=2;
}
if(dynamic_cast(t)){
n|=4;
}
returnn;
}

intmain(){
Derived*d=newDerived;
Base1*b1=newBase1;
Base2*b2=newBase2;
CheckType(d);
CheckType(b1);
CheckType(b2);
return0;
}

既然本節(jié)內(nèi)容是dynamic_cast，而只在CheckType()函數(shù)中才有對dynamic_cast的調(diào)用，那么我們著重分析CheckType函數(shù)。

首先，我們通過g++的命令-fdump-class-hierarchy獲取其內(nèi)存布局，Derived內(nèi)存布局如下（需要注意32 (int (*)(...))-16和Base2 (0x0x7f7fbbe5b6c0) 16部分）：

VtableforDerived
Derived:7uentries
0(int(*)(...))0
8(int(*)(...))(&_ZTI7Derived)
16(int(*)(...))Base1::f1
24(int(*)(...))Derived::f2
32(int(*)(...))-16
40(int(*)(...))(&_ZTI7Derived)
48(int(*)(...))Derived::_ZThn16_N7Derived2f2Ev

ClassDerived
size=32align=8
basesize=32basealign=8
Derived(0x0x7f7fbbf10c40)0
vptr=((&Derived::_ZTV7Derived)+16u)
Base1(0x0x7f7fbbe5b660)0
primary-forDerived(0x0x7f7fbbf10c40)
Base2(0x0x7f7fbbe5b6c0)16
vptr=((&Derived::_ZTV7Derived)+48u)

向上轉(zhuǎn)換

在CheckType(Derived*)處，通過gdb進(jìn)行分析，如下：

(gdb)disas
Dumpofassemblercodeforfunction_Z9CheckTypeIP7DerivedEiT_:
0x00000000004009ce<+0>:push%rbp
0x00000000004009cf<+1>:mov%rsp,%rbp
0x00000000004009d2<+4>:mov%rdi,-0x18(%rbp)
=>0x00000000004009d6<+8>:movl$0x0,-0x4(%rbp)

0x00000000004009dd<+15>:cmpq$0x0,-0x18(%rbp)
0x00000000004009e2<+20>:je0x4009e8<_Z9CheckTypeIP7DerivedEiT_+26>
0x00000000004009e4<+22>:orl$0x1,-0x4(%rbp);ift!=nullptr

0x00000000004009e8<+26>:cmpq$0x0,-0x18(%rbp)
0x00000000004009ed<+31>:je0x4009f3<_Z9CheckTypeIP7DerivedEiT_+37>
0x00000000004009ef<+33>:orl$0x2,-0x4(%rbp);ift!=nullptr

0x00000000004009f3<+37>:cmpq$0x0,-0x18(%rbp)
0x00000000004009f8<+42>:je0x400a0b<_Z9CheckTypeIP7DerivedEiT_+61>
0x00000000004009fa<+44>:mov-0x18(%rbp),%rax
0x00000000004009fe<+48>:add$0x10,%rax
0x0000000000400a02<+52>:test%rax,%rax
0x0000000000400a05<+55>:je0x400a0b<_Z9CheckTypeIP7DerivedEiT_+61>
0x0000000000400a07<+57>:orl$0x4,-0x4(%rbp);ift!=nullptr&&t+0x10!=nullptr
0x0000000000400a0b<+61>:mov-0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400a0e<+64>:pop%rbp
0x0000000000400a0f<+65>:retq
Endofassemblerdump.

為了便于理解，在上述代碼關(guān)鍵部分加上了注釋.

我們注意到，在上述匯編代碼中，沒有找到外部函數(shù)調(diào)用(__dynamic_cast)，而僅僅是一些常用的跳轉(zhuǎn)和比較指令。其中，前兩條orl指令的執(zhí)行條件為t不為0，而第三條orl指令的執(zhí)行條件為t不為0且t+16不為0。這幾個(gè)行為是在編譯期完成的，也就是說在本例中，dynamic_cast由編譯器在編譯期實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)換，所以可以說其是靜態(tài)轉(zhuǎn)換。

在前面的內(nèi)存布局中，Derived對象有3個(gè)偏移量，分別為(Derived/Base1 = 0, Base2 = +0x10)，即相對于Derived和Base1其偏移量為0，而相對于Base2其偏移量為16。前兩個(gè)dynamic_cast是Derived* -> Derived* 和 Derived* -> Base1*，都不需要調(diào)整指針，所以在CheckType的if語句中使用t的值作為dynamic_cast的返回值。在第三次Derived* -> Base2*轉(zhuǎn)換中，編譯時(shí)知道地址是t+0x10，所以計(jì)算t+0x10的結(jié)果就是dynamic_cast的返回值。

至此，我們可以說，dynamic_cast操作中，向上轉(zhuǎn)換是靜態(tài)操作，在編譯階段完成。

向下轉(zhuǎn)換

在CheckType(Base1*)處，通過gdb進(jìn)行分析，如下：

(gdb)disas
Dumpofassemblercodeforfunction_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_:
0x0000000000400a10<+0>:push%rbp
0x0000000000400a11<+1>:mov%rsp,%rbp
0x0000000000400a14<+4>:sub$0x20,%rsp
0x0000000000400a18<+8>:mov%rdi,-0x18(%rbp)
=>0x0000000000400a1c<+12>:movl$0x0,-0x4(%rbp)

0x0000000000400a23<+19>:mov-0x18(%rbp),%rax
0x0000000000400a27<+23>:test%rax,%rax
0x0000000000400a2a<+26>:je0x400a4f<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+63>
0x0000000000400a2c<+28>:mov$0x0,%ecx;src2dst=0
0x0000000000400a31<+33>:mov$0x400c98,%edx;dst_type<_ZTV7Derived>
0x0000000000400a36<+38>:mov$0x400cf8,%esi;src_type<_ZTI5Base1>
0x0000000000400a3b<+43>:mov%rax,%rdi
0x0000000000400a3e<+46>:callq0x4006d0<__dynamic_cast@plt>
0x0000000000400a43<+51>:test%rax,%rax
0x0000000000400a46<+54>:je0x400a4f<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+63>
0x0000000000400a48<+56>:mov$0x1,%eax
0x0000000000400a4d<+61>:jmp0x400a54<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+68>
0x0000000000400a4f<+63>:mov$0x0,%eax
0x0000000000400a54<+68>:test%al,%al
0x0000000000400a56<+70>:je0x400a5c<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+76>
0x0000000000400a58<+72>:orl$0x1,-0x4(%rbp)

0x0000000000400a5c<+76>:cmpq$0x0,-0x18(%rbp)
0x0000000000400a61<+81>:je0x400a67<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+87>
0x0000000000400a63<+83>:orl$0x2,-0x4(%rbp)

0x0000000000400a67<+87>:mov-0x18(%rbp),%rax
0x0000000000400a6b<+91>:test%rax,%rax
0x0000000000400a6e<+94>:je0x400a95<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+133>
0x0000000000400a70<+96>:mov$0xfffffffffffffffe,%rcx;src2dst=-2
0x0000000000400a77<+103>:mov$0x400ce0,%edx;dst_type<_ZTI5Base2>
0x0000000000400a7c<+108>:mov$0x400cf8,%esi;src_type<_ZTI5Base1>
0x0000000000400a81<+113>:mov%rax,%rdi
0x0000000000400a84<+116>:callq0x4006d0<__dynamic_cast@plt>
0x0000000000400a89<+121>:test%rax,%rax
0x0000000000400a8c<+124>:je0x400a95<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+133>
0x0000000000400a8e<+126>:mov$0x1,%eax
0x0000000000400a93<+131>:jmp0x400a9a<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+138>

0x0000000000400a95<+133>:mov$0x0,%eax
0x0000000000400a9a<+138>:test%al,%al
0x0000000000400a9c<+140>:je0x400aa2<_Z9CheckTypeIP5Base1EiT_+146>
0x0000000000400a9e<+142>:orl$0x4,-0x4(%rbp)

0x0000000000400aa2<+146>:mov-0x4(%rbp),%eax
0x0000000000400aa5<+149>:leaveq
---Typetocontinue,orqtoquit---
0x0000000000400aa6<+150>:retq
Endofassemblerdump.

通過上述匯編代碼，很明顯可以看出，Base1* -> Base1*不進(jìn)行任何轉(zhuǎn)換（這不廢話嘛，類型是相同的）。而對于Base1* -> Derived* 以及 Base1* -> Base2* 則需要調(diào)用__dynamic_cast函數(shù)，而其所需要的參數(shù)，在匯編指令中也可以看出，下面將對該函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。

__dynamic_cast參數(shù)語義

聲明如下：

__dynamic_cast(constvoid*src_ptr,//objectstartedfrom
const__class_type_info*src_type,//typeofthestartingobject
const__class_type_info*dst_type,//desiredtargettype
ptrdiff_tsrc2dst)//howsrcanddstarerelated

在上述聲明中：

• ?src_ptr代表需要轉(zhuǎn)換的指針

• ?src_type原始類型

• ?dst_type目標(biāo)類型

• ?src2dst表示從dst到src的偏移量，當(dāng)該值為如下3個(gè)之一時(shí)候，有特殊含義:

  • ?-1: no hint

  • ?-2: src is not a public base of dst

  • ?-3: src is a multiple public base type but never a virtual base type

src2dst的值中，-2代表src 不是 dst 的公共基類，如上節(jié)中的Base1* -> Base2*；-3代表src是多個(gè)（dst的）公共基類并且不是虛基類，即沒有虛擬繼承的菱形繼承。如果不為-1 -2 -3三值之一，則src2dst代表src和dst的偏移，如上一節(jié)中從Base1* -> Base1*轉(zhuǎn)換的時(shí)候傳值為0，即偏移為0；Base1*->Base2*轉(zhuǎn)換的時(shí)候，傳的值為-2(0xfffffffffffffffe)。

__dynamic_cast實(shí)現(xiàn)

extern"C"void*
__dynamic_cast(constvoid*src_ptr,//objectstartedfrom
const__class_type_info*src_type,//typeofthestartingobject
const__class_type_info*dst_type,//desiredtargettype
ptrdiff_tsrc2dst)//howsrcanddstarerelated
{
constvoid*vtable=*static_cast<constvoid*const*>(src_ptr);
constvtable_prefix*prefix=
adjust_pointer(vtable,
-offsetof(vtable_prefix,origin));
constvoid*whole_ptr=
adjust_pointer<void>(src_ptr,prefix->whole_object);
const__class_type_info*whole_type=prefix->whole_type;
__class_type_info::__dyncast_resultresult;

//Ifthewholeobjectvptrdoesn'trefertothewholeobjecttype,we're
//inthemiddleofconstructingaprimarybase,andsrcisaseparate
//base.Thishasundefinedbehaviorandwecan'tfindanythingoutside
//ofthebasewe'reactuallyconstructing,sofailnowratherthan
//segfaultlatertryingtouseavbaseoffsetthatdoesn'texist.
constvoid*whole_vtable=*static_cast<constvoid*const*>(whole_ptr);
constvtable_prefix*whole_prefix=
adjust_pointer(whole_vtable,
-offsetof(vtable_prefix,origin));
constvoid*whole_vtable=*static_cast<constvoid*const*>(whole_ptr);
constvtable_prefix*whole_prefix=
(adjust_pointer
(whole_vtable,-ptrdiff_t(offsetof(vtable_prefix,origin))));
if(whole_prefix->whole_type!=whole_type)
returnNULL;

//Avoidvirtualfunctioncallinthesimplesuccesscase.
if(src2dst>=0
&&src2dst==-prefix->whole_object
&&*whole_type==*dst_type)
returnconst_cast<void*>(whole_ptr);

whole_type->__do_dyncast(src2dst,__class_type_info::__contained_public,
dst_type,whole_ptr,src_type,src_ptr,result);
...

這個(gè)函數(shù)先通過src_ptr來初始化部分局部變量:

• ?vtable通過對src_ptr解引用(deref)獲取

• ?vtable_prefix子對象虛函數(shù)表地址，通過vtable的類型信息和offset_to_top來獲取

• ?whole_ptrsrc_ptr最底層的派生類地址，一般為src_ptr的值加上offset_to_top

• ?whole_typesrc_ptr最底層的派生類的虛函數(shù)表中的類型信息(type info)

• ?whole_vtablewhole對象的虛函數(shù)表地址

然后調(diào)用whole_type->__do_dyncast，而這也是該函數(shù)的核心模塊。然后根據(jù)返回值的內(nèi)容來判斷結(jié)果，并進(jìn)行相應(yīng)的操作。

其中，vtable_prefix的定義如下：

structvtable_prefix
{
//Offsettomostderivedobject.
ptrdiff_twhole_object;
//Pointertomostderivedtype_info.
const__class_type_info*whole_type;
//Whataclass'svptrpointsto.
constvoid*origin;
};

• ?whole_object 表示當(dāng)前指針指向?qū)ο蟮钠屏?/p>

• ? whole_type 指向 C++ 對象的類型：class（基類）、si_class（單一繼承類型）、vmi_class（多重或虛擬繼承類型）

• ? origin 表示虛函數(shù)表的入口，等于實(shí)例的虛指針。origin在這里的作用是offsetof，反向獲取whole_object的指針。

__class_type_info::__dyncast_result 定義如下：

struct__class_type_info::__dyncast_result
{
constvoid*dst_ptr;//pointertotargetobjectorNULL
__sub_kindwhole2dst;//pathfrommostderivedobjecttotarget
__sub_kindwhole2src;//pathfrommostderivedobjecttosubobject
__sub_kinddst2src;//pathfromtargettosubobject
intwhole_details;//detailsofthewholeclasshierarchy
...

在前面提到，__do_dyncast被調(diào)用之后，后面就根據(jù)其出參result的返回值進(jìn)行各種判斷，那么result到底什么意思呢？其實(shí)，從上述定義就能看出，whole2dst代表whole對象向dst的轉(zhuǎn)換結(jié)果，而whole2src代表whole對象向src的轉(zhuǎn)換結(jié)果等，通過下面的圖能更加清晰的理解轉(zhuǎn)換過程：

在上圖中，有3中類型，src、whole以及dst，__do_dyncast函數(shù)功能則是提供該3中類型的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在只有滿足以下3中情況時(shí)候，__dynamic_cast才返回非空：

• ?src是dst的公共基類

• ?dst和src不是直接繼承的關(guān)系，但是whole2src和whole2dst都是public

• ?dst2src未知且whole2src是非public虛繼承關(guān)系，則不使用whole，重新獲取dst和src的關(guān)系

這塊邏輯比較繞，其實(shí)可以將關(guān)系理解為圖上的一條條連接線，節(jié)點(diǎn)理解為類型信息，dynamic_cast的過程，就是判斷有沒有從src到dst有沒有路徑的過程。

繼承關(guān)系

在前面的內(nèi)容中，遇到過vtable for __cxxabiv1::__si_class_type_info+16這種，那么si_class_type_info又是什么呢？同樣，在翻閱了源碼之后，發(fā)現(xiàn)其是gcc中繼承關(guān)系的一種。

在gcc中，將繼承關(guān)系表示為圖結(jié)構(gòu)，對于類，有以下三種類型(type info):

• ?class __class_type_info : public std::type_info

• ?class __si_class_type_info : public __class_type_info

• ?class __vmi_class_type_info : public __class_type_info

其中，__class_type_info 表示沒有繼承關(guān)系的類，__si_class_type_info 表示單繼承的類，__vmi_class_type_info 表示多繼承或虛擬繼承的類。類名開頭的si代表單繼承，vmi代表虛擬或多重繼承。

查看定義，__si_class_type_info 包含指向基類類型的單個(gè)指針，而 __vmi_class_type_info 包含指向基類類型的指針數(shù)組?；愵愋痛鎯?chǔ)其子對象的位置和基類的類型（public、virtual）。

仍然以上一節(jié)中的代碼為例，使用gdb來分析__ZTI7Derived、__ZTI5Base1、__ZTI5Base2的關(guān)系

(gdb)x/2xg&_ZTI7Derived
0x555555755d80<_ZTI7Derived>:0x00007ffff7dca5d80x0000555555554d74
(gdb)x/2xg0x00007ffff7dca5d8
0x7ffff7dca5d8<_ZTVN10__cxxabiv121__vmi_class_type_infoE+16>:0x00007ffff7ae09200x00007ffff7ae0940

(gdb)p*(__cxxabiv1::__vmi_class_type_info*)0x555555755d80
$2={
<__cxxabiv1::__class_type_info>={
={
_vptr.type_info=0x7ffff7dca5d8,
__name=0x555555554d74"7Derived"
},},
membersof__cxxabiv1:
__flags=0,
__base_count=2,
__base_info={{
__base_type=0x555555755dc8,
__offset_flags=2
}}

(gdb)p(*(__cxxabiv1::__vmi_class_type_info*)0x555555755d80)->__base_info[0]
$4={
__base_type=0x555555755dc8,
__offset_flags=2<----?__public_mask(2)?|?offset:0x00
}
(gdb)?p?(*(__cxxabiv1::__vmi_class_type_info*)0x555555755d80)->__base_info[1]
$5={
__base_type=0x555555755db8,
__offset_flags=4098<----?__public_mask(2)?|?offset:0x10
}

(gdb)?x/2xg?0x555555755dc8
0x555555755dc8?<_ZTI5Base1>:0x00007ffff7dc98d80x0000555555554d7b
(gdb)x/2xg0x00007ffff7dc98d8
0x7ffff7dc98d8<_ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE+16>:0x00007ffff7add9300x00007ffff7add950

(gdb)x/2xg0x555555755db8
0x555555755db8<_ZTI5Base2>:0x00007ffff7dc98d80x0000555555554d77
(gdb)x/2xg0x00007ffff7dc98d8
0x7ffff7dc98d8<_ZTVN10__cxxabiv117__class_type_infoE+16>:0x00007ffff7add9300x00007ffff7add950

(gdb)p*(__cxxabiv1::__class_type_info*)0x555555755dc8
$6={
={
_vptr.type_info=0x7ffff7dc98d8,
__name=0x555555554d7b"5Base1"
},}

(gdb)p*(__cxxabiv1::__class_type_info*)0x555555755db8
$7={
={
_vptr.type_info=0x7ffff7dc98d8,
__name=0x555555554d77"5Base2"
},}

通過上述代碼，可以看出_ZTI7Derived是__vmi_class_type_info的一個(gè)實(shí)例，其基類數(shù)組的類型分別是_ZTI5Base1和_ZTI5Base2，通過將這些類型展開，就能獲取一張圖結(jié)構(gòu)，進(jìn)而說明dynamic_cast的過程就是遍歷圖結(jié)構(gòu)確定路徑關(guān)系的過程，采用的是深度優(yōu)先搜索。

審核編輯 ：李倩