C++語言學(xué)習(xí)（十九）——C++類型識(shí)別

C++語言學(xué)習(xí)（十九）——C++類型識(shí)別

一、C++類型識(shí)別簡介

1、C++類型識(shí)別簡介

C++是靜態(tài)類型語言，其數(shù)據(jù)類型是在編譯期就確定的，不能在運(yùn)行時(shí)更改。
C++語言中，靜態(tài)類型是對(duì)象自身的類型，動(dòng)態(tài)類型是指針（引用）所指向?qū)ο蟮膶?shí)際類型。
RTTI（Run-Time Type Information）即運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別，C++通過RTTI實(shí)現(xiàn)對(duì)多態(tài)的支持。
為了支持RTTI，C++提供了一個(gè)type_info類和typeid與dynamic_cast兩個(gè)關(guān)鍵字。

2、type_info結(jié)構(gòu)體

type_info ：
　　存儲(chǔ)特點(diǎn)類型的相關(guān)信息，常用來比較對(duì)象類型，type_info類的具體內(nèi)容由編譯器實(shí)現(xiàn)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(gòu)造函數(shù)和賦值操作符為私有，因此，程序中創(chuàng)建type_info對(duì)象的唯一方法是使用typeid操作符。C++標(biāo)準(zhǔn)只是告訴編譯器需要實(shí)現(xiàn)type_info::name函數(shù)，但不同的編譯器實(shí)現(xiàn)各不相同，因此typeid(int).name()不同編譯器編譯運(yùn)行后輸出不一樣。

3、typeid關(guān)鍵字

typeid：
　　typeid語法規(guī)則如下：typeid(expr);
　　typeid表達(dá)式返回type_info類型，expr可以是各種類型名，對(duì)象和內(nèi)置基本數(shù)據(jù)類型的實(shí)例、指針或者引用。當(dāng)作用于指針和引用時(shí)，將返回實(shí)際指向?qū)ο蟮念愋托畔ⅰ?br/>　　如果表達(dá)式的類型是類類型且至少包含有一個(gè)虛函數(shù)，則typeid操作符返回表達(dá)式的動(dòng)態(tài)類型，需要在運(yùn)行時(shí)確定；否則，typeid操作符返回表達(dá)式的靜態(tài)類型，在編譯時(shí)就可以確定。
　　當(dāng)把typeid作用于指針的解引用p時(shí)，若指針p為0，則：如果p指向的類型是帶虛函數(shù)的類類型，則typeid(p)在運(yùn)行時(shí)拋出一個(gè)bad_typeid異常；否則，typeid(*p)的結(jié)果與p的值是不相關(guān)的，在編譯時(shí)就可以確定。

4、dynamic_cast關(guān)鍵字

dynamic_cast：
　　動(dòng)態(tài)類型轉(zhuǎn)換，運(yùn)行時(shí)類型安全檢查。dynamic_cast會(huì)檢查待轉(zhuǎn)換的源對(duì)象是否真的可以轉(zhuǎn)換成目標(biāo)類型，這種檢查不是語法上的，而是真實(shí)情況的。許多編譯器都是通過vtable找到對(duì)象的RTTI信息的，如果基類沒有虛方法，也就無法判斷一個(gè)基類指針變量所指對(duì)象的真實(shí)類型。
　　dynamic_cast將一個(gè)指向基類的指針轉(zhuǎn)換為一個(gè)指向派生類的指針，如果不能正確轉(zhuǎn)換，則返回空指針。
C++語言提供了typeid關(guān)鍵字用于獲取類型信息，typeid關(guān)鍵字返回對(duì)應(yīng)參數(shù)的類型信息。typeid返回一個(gè)type_info類對(duì)象，當(dāng)typeid的參數(shù)為NULL時(shí)將拋出異常。typeid的參數(shù)既可以時(shí)類型也可以是變量，當(dāng)參數(shù)為類型，返回靜態(tài)類型信息；當(dāng)參數(shù)為變量，如果不存在虛函數(shù)表，返回靜態(tài)類型信息，如果存在虛函數(shù)表，返回動(dòng)態(tài)類型信息。
typeid操作符的返回結(jié)果是名為type_info的標(biāo)準(zhǔn)庫類型的對(duì)象的引用。
typeid在不同C++編譯器實(shí)現(xiàn)是不同的。

RTTI（Run-Time Type Identification，運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別）

二、C++類型轉(zhuǎn)換

C++類型轉(zhuǎn)換分為向上類型轉(zhuǎn)換和向下類型轉(zhuǎn)換。

1、向上類型轉(zhuǎn)換

C++語言中，向上類型轉(zhuǎn)換描述的是子類向基類的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，是一種隱式類型轉(zhuǎn)換。在向上類型轉(zhuǎn)換過程中，覆蓋方法和子類對(duì)象數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象稱為切割。

#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(zhuǎn)型為基類
    Base b = d;//直接賦值，產(chǎn)生切割
    b.print();//Base::print data = 0

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

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

    //Derived* dp = pb;//error,不允許隱式向下轉(zhuǎn)型
    return 0;
}

在向上強(qiáng)制轉(zhuǎn)換過程中，使用指針和引用不會(huì)造成切割，而使用直接賦值會(huì)造成切割。

2、向下類型轉(zhuǎn)換

C++語言中，向下類型轉(zhuǎn)換描述的是基類向子類的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，使用dynamic_cast進(jìn)行向下強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換。dynamic_cast會(huì)在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行類型檢查。如果向下轉(zhuǎn)型是安全的（如果基類指針或者引用實(shí)際指向一個(gè)派生類的對(duì)象），dynamic_cast會(huì)返回類型轉(zhuǎn)換后的指針。如果向下轉(zhuǎn)型不安全（即基類指針或者引用沒有指向一個(gè)派生類的對(duì)象），dynamic_cast返回空指針。?使用dynamic_cast時(shí)，類中必須定義虛函數(shù)。

#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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)際指向的對(duì)象為派生類對(duì)象，使用static_cast、dynamic_cast轉(zhuǎn)換都是安全的；如果指針、引用實(shí)際指向的對(duì)象為基類對(duì)象，使用dynamic_cast會(huì)返回NULL指針或拋出異常，使用static_cast關(guān)鍵字返回執(zhí)行基類對(duì)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(shí)的向下轉(zhuǎn)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(shí)際指向BaseA對(duì)象，沒有printB方法
    Derived* pd2 = dynamic_cast<Derived*>(bpa);
    cout << pd2 << endl;//0,向下轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(duì)象，使用static_cast關(guān)鍵字對(duì)bpa進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型為Derived指針對(duì)象時(shí)，返回bpa的值，由于實(shí)際指向BaseA對(duì)象，因此對(duì)BaseB方法時(shí)會(huì)導(dǎo)致異常；使用dynamic_cast關(guān)鍵字對(duì)bpa進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型時(shí)，轉(zhuǎn)型失敗，返回NULL。
bpb指針實(shí)際指向BaseB對(duì)象，使用static_cast關(guān)鍵字對(duì)bpb進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型為Derived指針對(duì)象時(shí)，返回bpb地址的-8字節(jié)的地址，該地值是一個(gè)不合法的Derived對(duì)象地址，因此對(duì)該地址調(diào)用BaseA、BaseB類的方法時(shí)會(huì)導(dǎo)致異常；使用dynamic_cast關(guān)鍵字對(duì)bpa進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型時(shí)，轉(zhuǎn)型失敗，返回NULL。
bpd指針實(shí)際指向Derived對(duì)象，使用static_cast關(guān)鍵字對(duì)bpd進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型為Derived指針對(duì)象時(shí)，返回bpd的值，可以合法調(diào)用BaseA、BaseB類的方法；使用dynamic_cast關(guān)鍵字對(duì)bpd進(jìn)行向下轉(zhuǎn)型時(shí)，返回bpd的值，可以合法調(diào)用BaseA、BaseB類的方法。如果使用static_cast關(guān)鍵字將BaseA類型指針bpd轉(zhuǎn)型為BaseB指針時(shí)，C++編譯器報(bào)錯(cuò)；必須使用dynamic_cast關(guān)鍵字，dynamic_cast會(huì)在運(yùn)行時(shí)對(duì)指針進(jìn)行調(diào)整。
Derived類型的dpd指針指向Derived對(duì)象，使用static_cast關(guān)鍵字和dynamic_cast關(guān)鍵字都可以進(jìn)行向上轉(zhuǎn)型。

三、C++內(nèi)省機(jī)制

所謂內(nèi)省是指面向?qū)ο笳Z言的一種在運(yùn)行期間查詢對(duì)象信息的能力， 比如如果語言具有運(yùn)行期間檢查對(duì)象型別的能力，那么語言是型別內(nèi)?。╰ype intropection）的，型別內(nèi)省可以用來實(shí)施多態(tài)。
C++的內(nèi)省比較有限，僅支持型別內(nèi)省， C++的型別內(nèi)省是通過運(yùn)行時(shí)類型識(shí)別（RTTI）(Run-Time Type Information)中的typeid?以及dynamic_case關(guān)鍵字來實(shí)現(xiàn)的。