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手动实现一个RTTI系统

news 来源：原创 2025/8/18 18:22:55

在 C++ 中，RTTI（Runtime Type Information，运行时类型信息）是一组允许程序在运行时获取对象类型信息的机制。虽然C++通过虚接口的方式提供了良好的抽象，但是对于一个复杂的系统，过于依赖抽象而忽略业务的复杂性，隐藏类的具体运行时信息，往往让业务变得不够灵活，或者大大增加虚接口的代价。

标准 C++ RTTI 的组成

`typeid` 运算符

可以通过typeid函数获取对象的实际类型信息。其返回值为std::type_info 对象，包含类型名称和对比功能。

Base* obj = new Derived();// 获取静态类型信息（编译时确定）
std::cout << typeid(*obj).name() << std::endl; // 输出 "Derived"（若启用 RTTI）// 类型对比
if (typeid(*obj) == typeid(Derived)) {// 实际类型为 Derived
}

`dynamic_cast`

C++提供的安全类型转换，安全地将基类指针/引用转为派生类指针/引用。但是要求基类必须有虚函数（即多态类型）。指针类型转换失败返回 nullptr，引用类型转换失败抛出 std::bad_cast。

`type_info` 类

存储类型信息，提供 name() 和 operator==。只能通过 typeid 获取其实例。

C++标准虽然提供了一些简单的RTTI功能，但是存在一些缺点

dynamic_cast的运行时类型检查可能影响性能（尤其深继承层次）。
type_info::name()返回的名称是编译器修饰后的（如 7Derived）。
dynamic_cast仅适用于有虚函数的类。
无法添加自定义类型元数据（如版本号、作者等）

不过，用户可以选择启用或者禁用RTTI功能，如果禁用后，就无法使用上面提到的功能，并且值得强调的时，C++RTTI其实是有点违背C++的Zero over head的设计哲学，开启 RTTI 后，所有多态类会携带一个虚表指针 (vptr)，指向包含 type_info 的虚表。即使开发者完全不使用 RTTI，这一内存开销仍然存在。type_info 对象和类型名称字符串会被编译进程序，增加可执行文件

自定义RTTI系统

针对标准 RTTI 的不足，开发者常实现自定义 RTTI 系统 , RTTI系统实现的原理也非常简单

定义一个MetaClass用于表示类的元信息
每个类使用一个静态的MetaClass存储该类形的信息
实现一些常用的如类型名称，类型转换，类型实例化等接口

如下为手动实现的RTTI系统的一些关键组件

元类（MetaClass）

封装类的类型信息，包括类名、父类元类指针、对象构造函数。

关键方法：

isKindOf：递归检查当前类是否继承自指定父类。
create：通过绑定的构造函数创建对象。

class MetaClass {
public:MetaClass(std::string name, const MetaClass* pParent, ObjectConstructor cons);bool isKindOf(const MetaClass* pParent) const; // 继承关系检查MetaObject* create(); // 创建对象
private:std::string m_name;const MetaClass* mp_parent;ObjectConstructor m_constructor;
};

模板元类（ConcretMeta）为具体类生成元类实例，自动注册到 MetaClassStore。这里使用单例的方式来获取类的MetaClass

template <class T>
class ConcretMeta : public MetaClass {
public:static const MetaClass* instance() {static ConcretMeta s_meta;MetaClassStore::instance()->insert(&s_meta);return &s_meta;}
private:ConcretMeta() : MetaClass(T::class_name(), ConcretMeta<T::BaseClass>::instance(), [] { return new T(); }) {}
};

对象基类(MetaObject)

所有需要有RTTI能力的类需要继承自MetaObject，该类定义了获取MetaClass的接口和其他类型转换接口。

class MetaObject
{
public:virtual ~MetaObject() = 0;virtual const MetaClass* meta() const = 0;  //called by instancestatic const MetaClass* staic_meta();  //called by classstatic MetaObject* meta_cast(MetaObject* pOther);static std::string class_name();bool isKindOf(const MetaClass* pMeta) const;public:MetaObject() = default;
};

RTTI定义宏系统

DECLARE_META_CLASS：声明元类接口。
DEFINE_META_CLASS：实现元类绑定和类型转换。

// 声明.h
class MyClass : public MetaObject {DECLARE_META_CLASS(MyClass, MetaObject);
};// 定义.cpp
DEFINE_META_CLASS(MyClass, MetaObject);

该 RTTI 系统通过模板和宏巧妙地将类型信息抽象为运行时对象，实现了类型创建、继承检查和简单反射功能。设计简洁且易于扩展，可作为复杂对象工厂或序列化系统的基础组件。

标准 C++ RTTI 的组成

typeid 运算符

dynamic_cast

type_info 类