C++語言學習（十九）——C++類型識別

C++語言學習（十九）——C++類型識別

一、C++類型識別簡介

1、C++類型識別簡介

C++是靜態類型語言，其數據類型是在編譯期就確定的，不能在運行時更改。
C++語言中，靜態類型是對象自身的類型，動態類型是指針（引用）所指向對象的實際類型。
RTTI（Run-Time Type Information）即運行時類型識別，C++通過RTTI實現對多態的支持。
爲了支持RTTI，C++提供了一個type_info類和typeid與dynamic_cast兩個關鍵字。

2、type_info結構體

type_info ：
　　存儲特點類型的相關信息，常用來比較對象類型，type_info類的具體內容由編譯器實現來決定。其聲明如下：

class type_info {
public:
    virtual ~type_info();
    bool operator== (const type_info& rhs) const;
    bool operator!= (const type_info& rhs) const;
    bool before (const type_info& rhs) const;
    const char* name() const;
private:
    type_info (const type_info& rhs);
    type_info& operator= (const type_info& rhs);
};

type_info的構造函數和賦值操作符爲私有，因此，程序中創建type_info對象的唯一方法是使用typeid操作符。C++標準只是告訴編譯器需要實現type_info::name函數，但不同的編譯器實現各不相同，因此typeid(int).name()不同編譯器編譯運行後輸出不一樣。

3、typeid關鍵字

typeid：
　　typeid語法規則如下：typeid(expr);
　　typeid表達式返回type_info類型，expr可以是各種類型名，對象和內置基本數據類型的實例、指針或者引用。當作用於指針和引用時，將返回實際指向對象的類型信息。
　　如果表達式的類型是類類型且至少包含有一個虛函數，則typeid操作符返回表達式的動態類型，需要在運行時確定；否則，typeid操作符返回表達式的靜態類型，在編譯時就可以確定。
　　當把typeid作用於指針的解引用p時，若指針p爲0，則：如果p指向的類型是帶虛函數的類類型，則typeid(p)在運行時拋出一個bad_typeid異常；否則，typeid(*p)的結果與p的值是不相關的，在編譯時就可以確定。

4、dynamic_cast關鍵字

dynamic_cast：
　　動態類型轉換，運行時類型安全檢查。dynamic_cast會檢查待轉換的源對象是否真的可以轉換成目標類型，這種檢查不是語法上的，而是真實情況的。許多編譯器都是通過vtable找到對象的RTTI信息的，如果基類沒有虛方法，也就無法判斷一個基類指針變量所指對象的真實類型。
　　dynamic_cast將一個指向基類的指針轉換爲一個指向派生類的指針，如果不能正確轉換，則返回空指針。
C++語言提供了typeid關鍵字用於獲取類型信息，typeid關鍵字返回對應參數的類型信息。typeid返回一個type_info類對象，當typeid的參數爲NULL時將拋出異常。typeid的參數既可以時類型也可以是變量，當參數爲類型，返回靜態類型信息；當參數爲變量，如果不存在虛函數表，返回靜態類型信息，如果存在虛函數表，返回動態類型信息。
typeid操作符的返回結果是名爲type_info的標準庫類型的對象的引用。
typeid在不同C++編譯器實現是不同的。

RTTI（Run-Time Type Identification，運行時類型識別）

二、C++類型轉換

C++類型轉換分爲向上類型轉換和向下類型轉換。

1、向上類型轉換

C++語言中，向上類型轉換描述的是子類向基類的強制類型轉換，是一種隱式類型轉換。在向上類型轉換過程中，覆蓋方法和子類對象數據丟失的現象稱爲切割。

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    Base(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Base::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Derived print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    Derived d(100);
    //將子類向上轉型爲基類
    Base b = d;//直接賦值，產生切割
    b.print();//Base::print data = 0

    Base& rb = d;//引用賦值，不產生切割
    rb.print();//Derived print data = 100

    Base* pb = &d;//指針賦值，不產生切割
    pb->print();//Derived print data = 100

    //Derived* dp = pb;//error,不允許隱式向下轉型
    return 0;
}

在向上強制轉換過程中，使用指針和引用不會造成切割，而使用直接賦值會造成切割。

2、向下類型轉換

C++語言中，向下類型轉換描述的是基類向子類的強制類型轉換，使用dynamic_cast進行向下強制類型轉換。dynamic_cast會在運行時進行類型檢查。如果向下轉型是安全的（如果基類指針或者引用實際指向一個派生類的對象），dynamic_cast會返回類型轉換後的指針。如果向下轉型不安全（即基類指針或者引用沒有指向一個派生類的對象），dynamic_cast返回空指針。 使用dynamic_cast時，類中必須定義虛函數。

#include <iostream>

using namespace std;

class Base
{
public:
    Base(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Base::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class Derived : public Base
{
public:
    Derived(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void print()
    {
        cout << "Derived print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    //指針
    Base* bp1 = new Base(101);
    Derived* dp11 = static_cast<Derived*>(bp1);
    cout << "Base" << endl;
    cout << bp1 << endl;
    cout << dp11<< endl;
    dp11->print();//Base::print data = 101
    Derived* dp12 = dynamic_cast<Derived*>(bp1);
    cout << dp12 << endl;//0,向下轉型失敗
    if(dp12 != NULL)
    {
        dp12->print();
    }

    Base* bp2 = new Derived(102);
    Derived* dp21 = static_cast<Derived*>(bp2);
    cout << "Derived" << endl;
    cout << bp2 << endl;
    cout << dp21<< endl;
    dp21->print();//Derived print data = 102
    Derived* dp22 = dynamic_cast<Derived*>(bp2);
    cout << dp22 << endl;//向下轉型成功
    if(dp22 != NULL)
    {
        dp22->print();//Derived print data = 102
    }
    //引用
    Base b1(10);
    Derived& rd11 = static_cast<Derived&>(b1);
    rd11.print();//Base::print data = 10
    //Derived& rd12 = dynamic_cast<Derived&>(b1);//exception
    Derived b2(10);
    Derived& rd21 = static_cast<Derived&>(b2);
    rd21.print();//Derived print data = 10
    Derived& rd22 = dynamic_cast<Derived&>(b2);
    rd22.print();//Derived print data = 10

    return 0;
}

上述代碼中，如果指針、引用實際指向的對象爲派生類對象，使用static_cast、dynamic_cast轉換都是安全的；如果指針、引用實際指向的對象爲基類對象，使用dynamic_cast會返回NULL指針或拋出異常，使用static_cast關鍵字返回執行基類對象的指針或引用，不能訪問派生類的覆蓋方法與成員。

3、多繼承時的向下轉型

#include <iostream>

using namespace std;

class BaseA
{
public:
    BaseA(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printA()
    {
        cout << "BaseA::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class BaseB
{
public:
    BaseB(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printB()
    {
        cout << "BaseB::print data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

class Derived : public BaseA, public BaseB
{
public:
    Derived(int value = 0)
    {
        data = value;
    }
    virtual void printA()
    {
        cout << "Derived printA data = " << data << endl;
    }
    virtual void printB()
    {
        cout << "Derived printB data = " << data << endl;
    }
protected:
    int data;
};

int main(int argc, char *argv[])
{
    //BaseA
    cout << "BaseA" << endl;
    BaseA* bpa = new BaseA(10);
    cout << bpa << endl;
    Derived* pd1 = static_cast<Derived*>(bpa);
    cout << pd1 << endl;
    pd1->printA();//BaseB::print data 10
    //pd1->printB();//exception,實際指向BaseA對象，沒有printB方法
    Derived* pd2 = dynamic_cast<Derived*>(bpa);
    cout << pd2 << endl;//0,向下轉型失敗
    if(pd2 != NULL)
    {
        pd2->printA();
        pd2->printB();
    }

    //BaseB
    cout << "BaseB" << endl;
    BaseB* bpb = new BaseB(10);
    cout << bpb << endl;
    //pd3指向bpb前8字節的地址
    Derived* pd3 = static_cast<Derived*>(bpb);
    cout << pd3 << endl;
    //pd3->printA();//exception
    //pd3->printB();//exception
    Derived* pd4 = dynamic_cast<Derived*>(bpb);
    cout << pd4 << endl;//0,向下轉型失敗
    if(pd4 != NULL)
    {
        pd4->printA();
        pd4->printB();
    }

    cout << "Derived" << endl;
    BaseA* bpd = new Derived(101);
    cout << bpd << endl;
    Derived* pd5 = static_cast<Derived*>(bpd);
    cout << pd5 << endl;
    pd5->printA();//Derived printA data = 101
    pd5->printB();//Derived printB data = 101
    Derived* pd6 = dynamic_cast<Derived*>(bpd);
    cout << pd6 << endl;
    if(pd6 != NULL)
    {
        pd6->printA();//Derived printA data = 101
        pd6->printB();//Derived printB data = 101
    }
    BaseA* pa = static_cast<BaseA*>(bpd);
    pa->printA();
    //BaseB* pb = static_cast<BaseB*>(bpd);//error,
    BaseB* pb = dynamic_cast<BaseB*>(bpd);//正確，
    pb->printB();

    cout << "Derived+" << endl;
    Derived* dpd = new Derived(102);
    cout << dpd << endl;
    BaseA* dpa = static_cast<BaseA*>(dpd);
    cout << dpa << endl;
    dpa->printA();
    BaseB* dpb1 = static_cast<BaseB*>(dpd);//
    cout << dpb1 << endl;
    dpb1->printB();
    BaseB* dpb2 = dynamic_cast<BaseB*>(dpd);//
    cout << dpb2 << endl;
    dpb2->printB();

    return 0;
}

上述代碼中，bpa指針指向BaseA對象，使用static_cast關鍵字對bpa進行向下轉型爲Derived指針對象時，返回bpa的值，由於實際指向BaseA對象，因此對BaseB方法時會導致異常；使用dynamic_cast關鍵字對bpa進行向下轉型時，轉型失敗，返回NULL。
bpb指針實際指向BaseB對象，使用static_cast關鍵字對bpb進行向下轉型爲Derived指針對象時，返回bpb地址的-8字節的地址，該地值是一個不合法的Derived對象地址，因此對該地址調用BaseA、BaseB類的方法時會導致異常；使用dynamic_cast關鍵字對bpa進行向下轉型時，轉型失敗，返回NULL。
bpd指針實際指向Derived對象，使用static_cast關鍵字對bpd進行向下轉型爲Derived指針對象時，返回bpd的值，可以合法調用BaseA、BaseB類的方法；使用dynamic_cast關鍵字對bpd進行向下轉型時，返回bpd的值，可以合法調用BaseA、BaseB類的方法。如果使用static_cast關鍵字將BaseA類型指針bpd轉型爲BaseB指針時，C++編譯器報錯；必須使用dynamic_cast關鍵字，dynamic_cast會在運行時對指針進行調整。
Derived類型的dpd指針指向Derived對象，使用static_cast關鍵字和dynamic_cast關鍵字都可以進行向上轉型。

三、C++內省機制

所謂內省是指面嚮對象語言的一種在運行期間查詢對象信息的能力， 比如如果語言具有運行期間檢查對象型別的能力，那麼語言是型別內省（type intropection）的，型別內省可以用來實施多態。
C++的內省比較有限，僅支持型別內省， C++的型別內省是通過運行時類型識別（RTTI）(Run-Time Type Information)中的typeid 以及dynamic_case關鍵字來實現的。