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超C++详细讲解RTTI和cast运算符的使用

发布: 2022-8-20 09:49

RTTI（Runtime Type Identification）是“运行时类型识别”的意思。C++引入这个机制是为了让程序在运行时能根据基类的指针或引用来获得该指针或引用所指的对象的实际类型，cast强制转换运算符是一种特殊的运算符，它把一种数据类型转换为另一种数据类型！

超C++详细讲解RTTI和cast运算符的使用插图

1. RTTI

RTTI是运行阶段类型识别(Running Type Identificarion)的简称。

如何知道指针指向的是哪种对象？

这是个很常见的问题,由于我们允许使用基类指针指向派生类,所以基类指针指向的对象可能是基类对象,也可能是派生类对象。但是我们需要知道对象种类,因为我们需要使用正确的类方法。

RTTI能解决上述问题。

1.1 dynamic_cast运算符

dynamic_cast是最常用的RTTI组件,它不能回答”指针指向的是哪类对象”,但是它能回答”是否可以安全的将对象的地址赋给特定类型指针”。

什么是安全?

例如:A是基类,B是A的派生类,C是B的派生类。那么将BC对象的地址赋给A指针是安全的,而反向就是不安全的。因为公有继承满足is-a关系,指针和引用进行向上转换是安全的,向下转换就是不安全的。

dynamic_cast的用法是:

dynamic_cast<Type*>(ptr)或dynamic_cast<Type&>(ref)

可以看到的是,dynamic_cast是一种类型转换符,它支持指针间的转换,他将ptr的类型转换成Type*,如果这种转换是安全的,那会返回转换后的指针;如果不安全那就会返回空指针。对于引用的话,他将ref的类型转换成Type&,如果这种转换是安全的,那就返回转换后的引用;如果不安全那就会引发bad_cast异常。

总之,dynamic_cast类型转换运算符比C风格的类型转换要安全的多,而且它能够判断转换是否安全。

//RTTI1.cpp
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<ctime>
using namespace std;
class Grand
{
protected:
int hold;
public:
Grand(int h=0):hold(h){};
virtual void Speak() const {cout<<"I am Grand class!\n";}
};
class Superb:public Grand
{
public:
Superb(int h=0):Grand(h){}
virtual void Speak() const {cout<<"I am a superb class!\n";}
virtual void Say() const {cout<<"the value: "<<Grand::hold<<endl;}
};
class Magnificent:public Superb
{
private:
char ch;
public:
Magnificent(int h=0,char c='A'):Superb(h),ch(c){}
virtual void Speak() const{cout<<"I am a Magnificent class!\n";}
virtual void Say() const{cout<<"the character: "<<ch<<endl<<"the value: "<<Grand::hold<<endl;}
};
Grand *GetOne();
int main()
{
srand(time(0));
Grand *pg;
Superb *ps;
for(int i=0;i<5;i++)
{
pg=GetOne();
pg->Speak();
if(ps=dynamic_cast<Superb*>(pg))
{
ps->Say();
}
}
delete pg;
return 0;
}
Grand * GetOne()
{
Grand *p;
switch (rand()%3)
{
case 0:
p=new Grand(rand()%100);
break;
case 1:
p=new Superb(rand()%100);
break;
case 2:
p=new Magnificent(rand()%100,'A'+rand()%26);
break;
}
return p;
}

I am a Magnificent class!the character: Ithe value: 74I am a superb class!the value: 50I am Grand class!I am Grand class!I am a Magnificent class!the character: Vthe value: 99

上面这个例子说明了重要的一点:尽可能使用虚函数,而只在必要时使用RTTI。

如果将dynamic_cast用于引用,当请求不安全的时候,会引发bad_cast异常,这种异常时从exception类派生而来的,它在头文件typeinfo中定义。

则我们可以使用如下方式处理异常:

#include<typeinfo>
...
try{
Superb & rs= dynamic_cast<Superb &>(rg);
....
}
catch(bad_cast &)
{
...
};

1.2 typeid运算符

type_info类是在头文件typeinfo中定义的一个类。type_info类重载了==和!=运算符。

typeid是一个运算符,它返回一个对type_info的引用,它可以接受2种参数:类名和对象。typeid是真正回答了”指针指向的是哪类对象”。

(实际上,typeid也可以用于其他类型,例如结构体,函数指针,各种类型,只要sizeof能接受的,typeid都能接受)

用法：

typeid(Magnificent)==typeid(*pg)

如果pg是一个空指针,则会引发bad_typeid异常。

type_info类中包含一个name()接口,该接口返回字符串,一般情况下是类的名称。

cout<<typeid(*pg).name()<<“.\n”

例子:

//RTTI2.cpp
#include<iostream>
#include<cstdlib>
#include<ctime>
#include<typeinfo>
using namespace std;
class Grand
{
protected:
int hold;
public:
Grand(int h=0):hold(h){};
virtual void Speak() const {cout<<"I am Grand class!\n";}
};
class Superb:public Grand
{
public:
Superb(int h=0):Grand(h){}
virtual void Speak() const {cout<<"I am a superb class!\n";}
virtual void Say() const {cout<<"the value: "<<Grand::hold<<endl;}
};
class Magnificent:public Superb
{
private:
char ch;
public:
Magnificent(int h=0,char c='A'):Superb(h),ch(c){}
virtual void Speak() const{cout<<"I am a Magnificent class!\n";}
virtual void Say() const{cout<<"the character: "<<ch<<endl<<"the value: "<<Grand::hold<<endl;}
};
Grand *GetOne();
int main()
{
srand(time(0));
Grand *pg;
Superb *ps;
for(int i=0;i<5;i++)
{
pg=GetOne();
cout<<"Now processing type "<<typeid(*pg).name()<<".\n";
pg->Speak();
if(ps=dynamic_cast<Superb*>(pg))
{
ps->Say();
}
if(typeid(Magnificent)==typeid(*pg))
{
cout<<"Yes,you are really magnificent.\n";
}
}
delete pg;
return 0;
}
Grand * GetOne()
{
Grand *p;
switch (rand()%3)
{
case 0:
p=new Grand(rand()%100);
break;
case 1:
p=new Superb(rand()%100);
break;
case 2:
p=new Magnificent(rand()%100,'A'+rand()%26);
break;
}
return p;
}

Now processing type 6Superb. I am a superb class!the value: 64Now processing type 11Magnificent.I am a Magnificent class!the character: Ythe value: 30Yes,you are really magnificent. Now processing type 5Grand. I am Grand class!Now processing type 11Magnificent.I am a Magnificent class!the character: Cthe value: 3Yes,you are really magnificent. Now processing type 5Grand. I am Grand class!

注意,你可能发现了typeid远比dynamic_cast优秀的多,typeid会直接告诉你类型是什么,而dynamic_cast只告诉你是否可以类型转换。但是typeid的效率比dynamic_cast低很多,所以,请优先考虑dynamic_cast和虚函数,如果不行才使用typeid。

2. cast运算符

C语言中的类型转换符太过随意,C++创始人认为,我们应该使用严格的类型转换,则C++提供了4个类型转换运算符:

dynamic_castconst_caststatic_castreinterpret_cast

dynamic_cast运算符已经介绍过了,它的用途是,使得类层次结构中进行向上转换,而不允许其他转换。

const_cast运算符,用于除去或增加 类型的const或volatile属性。

它的语法是:

const_cast<type-name>(expression)

如果类型的其他方面也被修改,则上述类型转换就会出错,也就是说,除了cv限定符可以不同外,type_name和expression的类型必须相同。

提供该运算符的目的是:有时候我们需要一个值:它在大多数情况下是常量,而有时候我们需要更改它。

看一个有趣的例子:

//cast运算符1.cpp
//cast运算符1.cpp
#include <iostream>
int main()
{
using std::cout;
using std::endl;
volatile const int a=100;
volatile const int & ra=a;//无法通过ra修改a
int &change_a=const_cast<int &>(ra);//可以通过change_a修改a;
change_a=255;
cout<<a<<endl;
}

上面最后这个a常量被修改成255,这是我们预期的结果。但是如果我把volatile关键词去掉,那么a的值还是100。其实是编译器在这里玩了个小聪明，const int a=100，编译器认为a就不会发生改变了，所以就把a放在了寄存器中，因为访问寄存器要比访问内存单元快的多，每次都从寄存器中取数据，但是后来a在内存中发生变化后，寄存器中的数据没有发生变化，所以打印的是寄存器中的数据。解决这一问题,就使用volatile关键词,那么对a的存取都是直接对内存做操作的。

static_cast运算符

它的语法是:

static_cast<type-name>(expression)

仅当type-name可被隐式转换成expression所属的类型或者expression可以隐式转换成type-name类型时,上述转换才合法,否则出现bad_cast异常。

例如,枚举值可以隐式转换成整型,那么整型就可以通过static_cast转换成枚举型。

总之,static_cast只允许”相似”的类型间的转换,而不允许”差异很大”的类间的转换。

reinterpret_cast运算符:重新诠释类型,进行疯狂的类型转换

它的语法时:

reinterpret_cast<type-name>(expression)

它可以进行类型间”不可思议”的互换,但是它不允许删除const,也不允许进行丧失数据的转换

例如下面这两个例子:

#include<iostream>
int main()
{
using namespace std;
struct dat {short a; short b;};
long value =0xA224B118;
dat *pd=reinterpret_cast<dat*>(&value);
cout<<hex<<pd->a;
}

#include<iostream>
void fun()
{
std::cout<<"hello world!\n";
}
int main()
{
using namespace std;
void (*foo)();
foo=fun;
int* p=reinterpret_cast<int*>(foo);
}

通常,reinterpret_cast转换符适用于底层编程技术,是不可移植的,因为不同系统可能使用不同大小,不同顺序来存储同一类型的数据。

总之,C语言类型转换比reinterpret_cast还要”疯狂”,非常不安全,所以推荐使用cast运算符来实现类型转换。

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