c++ 如何实现运行时类型信息

Question

想知道C++语言如何在运行时保存变量的类型信息。在我看来，运行时是指将程序员编写的源代码文件编译成与具体机器相关的二进制格式的机器码。这个二进制文件全部由机器指令和操作数组成。在机器级别，没有这样的事情。类型的概念只是存储在寄存器和内存中的值。从机器的角度来看，这些值没有上层抽象类型。那么在运行时如何存储这些类型信息，也就是机器码执行的过程呢？运行时类型信息的声明应该怎么理解？

Answer 1

有两种情况。

如果被检查的值具有多态类型，例如，编译器可以生成以某种方式将对象的 vtable 映射到静态类型信息块的代码。这个块甚至可能在 vtable 中！

如果被检查的值具有完全已知的静态类型，编译器可以直接插入指向该对象类型信息的指针。

您得到的答案因编译器而异，但我对使用 GCC 编译的简单程序进行了一些研究。 例如，给定以下定义：

template <class T>
const char* get_typeid(const T& val) {
    return typeid(val).name();
}

class Static{};
class Dynamic {
    public: virtual ~Dynamic() = default; // Making the class polymorphic
};

编译器可以为静态生成以下代码：

char const* get_typeid<Static>(Static const&):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
        mov     edi, OFFSET FLAT:typeinfo for Static
        call    std::type_info::name() const
        leave
        ret

注意它如何访问全局常量（“OFFSET FLAT:typeinfo for Static”）。这意味着编译器在编译时已经解析了typeid 调用。

对比动态版：

char const* get_typeid<Dynamic>(Dynamic const&):
        push    rbp
        mov     rbp, rsp
        sub     rsp, 16
        mov     QWORD PTR [rbp-8], rdi
        mov     rax, QWORD PTR [rbp-8] # rax = pointer to Dynamic
        mov     rax, QWORD PTR [rax] # rax = vtable pointer of Dynamic
        sub     rax, 8
        mov     rax, QWORD PTR [rax] #rax = typeinfo field of vtable
        mov     rdi, rax
        call    std::type_info::name() const
        leave
        ret

注意它是如何通过获取传递的 Dynamic 对象的 vtable 并减去 8 来访问类型信息的。为了完整起见，这里是 Dynamic vtable 的定义：

vtable for Dynamic:
        .quad   0
        .quad   typeinfo for Dynamic
        .quad   Dynamic::~Dynamic() [complete object destructor] # this is where the vtable normally points to.
        .quad   Dynamic::~Dynamic() [deleting destructor]