typeid

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本文分析C++中typeid的实现原理

1. 前言

1.1 typeid

C++里面的typeid是个运算符，返回一个std::type_info常对象的引用，用于标识对象所属的类型。

1.2 std::type_info

  • 实现位于/usr/include/c++/7/typeinfo
  • 析构函数为virtual
  • 有一个保护成员const char *__name, 指向对象的类型名称
  • 可以通过name()方法打印出对象的真实类型.
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    const char* name() const _GLIBCXX_NOEXCEPT
    { return __name[0] == '*' ? __name + 1 : __name; }

2. 调试分析

2.1 测试环境

  • Linux ubuntu18arm64 4.15.0-76-generic #86-Ubuntu SMP Fri Jan 17 17:25:58 UTC 2020 aarch64 aarch64 aarch64 GNU/Linux
  • gcc version 7.4.0 (Ubuntu/Linaro 7.4.0-1ubuntu1~18.04.1)
  • C++11

2.2 基本数据类型

测试代码

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#define PRINT(x) std::cout << "typeid("#x").name() = \"" << typeid(x).name() << "\"" << std::endl;

void test_fundamental_type() {
  int i = 1;
  int *p = &i;
  const float f = 2.0;
  volatile double d = 3.0;

  PRINT(i);
  PRINT(p);
  PRINT(f);
  PRINT(d);
}

运行结果

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typeid(i).name() = "i"
typeid(p).name() = "Pi"
typeid(f).name() = "f"

可以看到，返回的类型名字中const/volatile等限定符都不存在了。

下面以变量i为例， 描述typeid(i).name()的实现原理.

汇编代码如下

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... ...
0x0000aaaaaaaab504 <+64>:	adrp	x0, 0xaaaaaaabc000
0x0000aaaaaaaab508 <+68>:	ldr	x0, [x0, #3984]
0x0000aaaaaaaab50c <+72>:	bl	0xaaaaaaaab840 <std::type_info::name() const>
... ...

获取std::type_info对象地址

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(gdb) x/1xg 0xaaaaaaabc000 + 3984
0xaaaaaaabcf90:	0x0000fffff7fc3d90

查看std::type_info对象

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(gdb) x/2xg 0x0000fffff7fc3d90
0xfffff7fc3d90 <_ZTIi>:	0x0000fffff7fc38c0	0x0000fffff7f771c0

查看类型名称

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(gdb) p (char*)0x0000fffff7f771c0
$1 = 0xfffff7f771c0 <typeinfo name for int> "i"

变量i的type_info对象及其name, 位于libstdc++.so

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fffff7e3e000-fffff7fb2000 r-xp 00000000 fd:00 1311408                    /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
fffff7fb2000-fffff7fc2000 ---p 00174000 fd:00 1311408                    /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
fffff7fc2000-fffff7fcc000 r--p 00174000 fd:00 1311408                    /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
fffff7fcc000-fffff7fce000 rw-p 0017e000 fd:00 1311408                    /usr/lib/aarch64-linux-gnu/libstdc++.so.6.0.25
... ...

2.3 类型确定的类类型

测试代码

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Derived d;
PRINT(d);

运行结果

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typeid(d).name() = "7Derived"

汇编代码如下

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... ...
0x0000aaaaaaaab68c <+64>:	adrp	x0, 0xaaaaaaabc000
0x0000aaaaaaaab690 <+68>:	add	x0, x0, #0xcb0
0x0000aaaaaaaab694 <+72>:	bl	0xaaaaaaaab840 <std::type_info::name() const>
... ...

查看对象d的std::type_info对象

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(gdb) x/2xg 0xaaaaaaabc000 + 0xcb0
0xaaaaaaabccb0 <_ZTI7Derived>:	0x0000fffff7fc4278	0x0000aaaaaaaabab8

查看类型名称

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(gdb) p (char*)0x0000aaaaaaaabab8
$2 = 0xaaaaaaaabab8 <typeinfo name for Derived> "7Derived"

编译器在编译期间已经知道对象d的std::type_info对象地址

2.4 类型不确定的类类型

基类指针或引用, 无法确定当前对象是Base对象还是Derived对象.

测试代码

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Base *pb = &d;
PRINT(*pb);

运行结果

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typeid(*pb).name() = "7Derived"

汇编代码如下

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0x0000aaaaaaaab6f4 <+168>:	ldr	x0, [x29, #32]
0x0000aaaaaaaab6f8 <+172>:	cmp	x0, #0x0
0x0000aaaaaaaab6fc <+176>:	b.eq	0xaaaaaaaab71c <test_class_type()+208>  // b.none
0x0000aaaaaaaab700 <+180>:	ldr	x0, [x0]
0x0000aaaaaaaab704 <+184>:	ldur	x0, [x0, #-8]
0x0000aaaaaaaab708 <+188>:	bl	0xaaaaaaaab840 <std::type_info::name() const>
0x0000aaaaaaaab70c <+192>:	mov	x1, x0
0x0000aaaaaaaab710 <+196>:	mov	x0, x19
0x0000aaaaaaaab714 <+200>:	bl	0xaaaaaaaab330 <_ZStlsISt11char_traitsIcEERSt13basic_ostreamIcT_ES5_PKc@plt>
0x0000aaaaaaaab718 <+204>:	b	0xaaaaaaaab720 <test_class_type()+212>
0x0000aaaaaaaab71c <+208>:	bl	0xaaaaaaaab350 <__cxa_bad_typeid@plt>
... ...

typeid(*pb)的实现流程如下

  • 先获取*pb对象的vptr

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    (gdb) x/4xg 0xfffffffff220 + 32
    0xfffffffff240:	0x0000fffffffff248	0x0000aaaaaaabcc80
    0xfffffffff250:	0x0000000000000000	0xa70531c2abcbb300

    (gdb) x/1xg 0x0000fffffffff248
    0xfffffffff248:	0x0000aaaaaaabcc80

  • 再读取vtable[-1], 获取std::type_info对象

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    (gdb) x/1xg 0x0000aaaaaaabcc80 - 8
    0xaaaaaaabcc78 <_ZTV7Derived+8>:	0x0000aaaaaaabccb0

    (gdb) x/2xg 0x0000aaaaaaabccb0
    0xaaaaaaabccb0 <_ZTI7Derived>:	0x0000fffff7fc4278	0x0000aaaaaaaabab8

  • 查看类型名称

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    (gdb) p (char *)0x0000aaaaaaaabab8
    $3 = 0xaaaaaaaabab8 <typeinfo name for Derived> "7Derived"

3. 总结

  • 对基本数据类型或类型确定的类类型, typeid(obj)对应的std::type_info对象地址在编译期间已经确定
  • 对类型不确定的类类型(基类指针或引用, 多态), typeid(obj)是运行期间通过当前对象找到vptr, 最后在vtable[-1]找到obj对应的std::type_info对象地址

程序员自我修养

程序员自我修养(ID: dumphex)
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