C++雜記：運行時類型識別（RTTI）與動態類型轉換原理
運行時類型識別（RTTI）的引入有三個作用：
- 配合typeid操作符的實現；
- 實現異常處理中catch的匹配過程；
- 實現動態類型轉換dynamic_cast。
1. typeid操作符的實現
1.1. 靜態類型的情形
C++中支持使用typeid關鍵字獲取對象類型信息，它的返回值類型是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具有相同的類型
assert(&tb == &tc); // tb和tc引用的是相同的對象
assert(tb != td); // 雖然D是B的子類，但是b和d的類型卻不同
assert(&tb != &td); // tb和td引用的是不同的對象
}理論上講，編譯器會為每一種類型生成一個能唯一標識該類型的類型信息對象，typeid返回的就是該對象的引用。
通過查看clang編譯器生成的LLVM匯編程序（LLVM匯編程序比本地匯編程序可讀性較強），可以證明這一點。
使用clang編譯上述源碼：“clang -S -emit-llvm test.cpp -o -”，生成LLVM匯編程序包含以下信息（為了方便閱讀，省略了部分無關內容）：
@_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 是兩個全局變量，用以存儲std::type_info（或者其子類）對象。
- 上述LLVM匯編程序中還列出了test()函數的起始部分內容，其中將@_ZTI1B 存儲於%tb和%tc，將@_ZTI1D 存儲於%td，正好對應原程序中的引用初始化語句。
附加說明：
- LLVM匯編語言也稱之為LLVM中間表示（IR, Intermediate Representation），其中全局變量以“@”開頭。詳細請參見：LLVM Language Reference Manual。
- _ZTI1B和_ZTI1D是經過名字修飾（name mangling）修飾之後的變量名，linux下可以使用c++filt命令還原成可讀形式（例如：c++filt _ZTI1B輸出“typeinfo for B”，說明_ZTI1B是標識B類型的全局變量）。
1.2. 動態類型的情形
當typeid的操作數引用的是一個動態類（含有虛函數的類） 類型時，它的返回值是被引用對象對應類型的類型信息對象，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引用的類型與d相同
assert(typeid(rb) == typeid(rc)); // rb引用的類型與rc引用的類型相同
}
編譯時可能還不知道rb或rc引用的類型，運行時怎麽能判斷該返回基類還是派生類對應的類型信息對象呢？
還記得“C/C++雜記：深入虛表結構”一文中講過的-fdump-class-hierarchy選項吧，用它將D的虛表打印出來如下：
可見，無論是“主虛表”還是“次虛表”，其中的RTTI信息位置都是&_ZTI1D（即D類型對應的類型信息對象）。
正是利用了這一點，運行時便可以通過vptr找到“虛函數表”，而“虛函數表”之前的一個位置存放了需要的類型信息對象，typeid可以直接返回這裏的類型信息對象引用即可。
下面的圖示描述了這一過程：
2. 實現異常處理中catch的匹配過程
catch的匹配過程也可利用與typeid相似的原理進行類型匹配判斷，此不再贅述。
3. 動態類型轉換（dynamic_cast）
說明：本節不考慮虛擬繼承的情形。
先上一個例子：
轉換過程：
(1) 對#2來說最為簡單，首先獲取RTTI對象，RTTI對象與目標類型信息對象一致，而偏移值也為0，所以只用返回源地址（pb）即可。
(2) 對#1和#3來說，RTTI對象與目標類型信息對象一致，但是有偏移值-8，所以返回值為“(char*)pa + (-8)”或“(char*)pc + (-8)”。
(3) 對#4來說，RTTI對象與目標類型信息對象不一致，但是目標類型C 是RTTI對象表示類型（D）是基類（後面會討論如何判斷繼承關系），因此轉換也是可行的。
用clang編譯上述源碼，生成LLVM匯編程序如下（已作簡化）：
@_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
}
從中可以看出，RTTI對象中存放的內容還包括基類的RTTI對象指針，成樹狀結構：
因此繼承關系可以通過此樹狀結構判斷，有了繼承關系，再遞歸從虛表中查找基類子對象在派生類中的偏移值，便可以確定最終返回地址。
4. 參考
(1) Itanium C++ ABI
(2) LLVM Language Reference Manual
(3) libc++abi源碼（private_typeinfo.h文件）
http://www.cnblogs.com/malecrab/p/5574070.html
C++雜記：運行時類型識別（RTTI）與動態類型轉換原理