C/C++杂记：运行时类型识别（RTTI）与动态类型转换原理

Posted 2020-07-24 Malecrab

运行时类型识别（RTTI）的引入有三个作用：

1. 配合typeid操作符的实现；
2. 实现异常处理中catch的匹配过程；
3. 实现动态类型转换dynamic_cast。

1. typeid操作符的实现

1.1. 静态类型的情形

C++中支持使用typeid关键字获取对象类型信息，它的返回值类型是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具有相同的类型
    assert(&tb == &tc); // tb和tc引用的是相同的对象
    assert(tb != td);   // 虽然D是B的子类，但是b和d的类型却不同
    assert(&tb != &td); // tb和td引用的是不同的对象
}

理论上讲，编译器会为每一种类型生成一个能唯一标识该类型的类型信息对象，typeid返回的就是该对象的引用。

通过查看clang编译器生成的LLVM汇编程序（LLVM汇编程序比本地汇编程序可读性较强），可以证明这一点。
使用clang编译上述源码：“clang -S -emit-llvm test.cpp -o -”，生成LLVM汇编程序包含以下信息（为了方便阅读，省略了部分无关内容）：

@_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 是两个全局变量，用以存储std::type_info（或者其子类）对象。
• 上述LLVM汇编程序中还列出了test()函数的起始部分内容，其中将@_ZTI1B 存储于%tb和%tc，将@_ZTI1D 存储于%td，正好对应原程序中的引用初始化语句。

附加说明：

• LLVM汇编语言也称之为LLVM中间表示（IR, Intermediate Representation），其中全局变量以“@”开头。详细请参见：LLVM Language Reference Manual。
• _ZTI1B和_ZTI1D是经过名字修饰（name mangling）修饰之后的变量名，linux下可以使用c++filt命令还原成可读形式（例如：c++filt _ZTI1B输出“typeinfo for B”，说明_ZTI1B是标识B类型的全局变量）。

1.2. 动态类型的情形

当typeid的操作数引用的是一个动态类（含有虚函数的类） 类型时，它的返回值是被引用对象对应类型的类型信息对象，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引用的类型与d相同
    assert(typeid(rb) == typeid(rc)); // rb引用的类型与rc引用的类型相同
}

编译时可能还不知道rb或rc引用的类型，运行时怎么能判断该返回基类还是派生类对应的类型信息对象呢？

还记得“C/C++杂记：深入虚表结构”一文中讲过的-fdump-class-hierarchy选项吧，用它将D的虚表打印出来如下：

可见，无论是“主虚表”还是“次虚表”，其中的RTTI信息位置都是&_ZTI1D（即D类型对应的类型信息对象）。

正是利用了这一点，运行时便可以通过vptr找到“虚函数表”，而“虚函数表”之前的一个位置存放了需要的类型信息对象，typeid可以直接返回这里的类型信息对象引用即可。
下面的图示描述了这一过程：

2. 实现异常处理中catch的匹配过程

catch的匹配过程也可利用与typeid相似的原理进行类型匹配判断，此不再赘述。

3. 动态类型转换（dynamic_cast）

说明：本节不考虑虚拟继承的情形。

先上一个例子：

转换过程：
(1) 对#2来说最为简单，首先获取RTTI对象，RTTI对象与目标类型信息对象一致，而偏移值也为0，所以只用返回源地址（pb）即可。
(2) 对#1和#3来说，RTTI对象与目标类型信息对象一致，但是有偏移值-8，所以返回值为“(char*)pa + (-8)”或“(char*)pc + (-8)”。
(3) 对#4来说，RTTI对象与目标类型信息对象不一致，但是目标类型C 是RTTI对象表示类型（D）是基类（后面会讨论如何判断继承关系），因此转换也是可行的。

用clang编译上述源码，生成LLVM汇编程序如下（已作简化）：

@_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
    }

从中可以看出，RTTI对象中存放的内容还包括基类的RTTI对象指针，成树状结构：

因此继承关系可以通过此树状结构判断，有了继承关系，再递归从虚表中查找基类子对象在派生类中的偏移值，便可以确定最终返回地址。

4. 参考

(1) Itanium C++ ABI

(2) LLVM Language Reference Manual

(3) libc++abi源码（private_typeinfo.h文件）