C/C++杂记：运行时类型识别（RTTI）与动态类型转换原理
运行时类型识别（RTTI）的引入有三个作用：
- 配合typeid操作符的实现；
- 实现异常处理中catch的匹配过程；
- 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）
