rtti-libs

Rtti impl and benchmark

RTTI Benchmark

Github Repo Link

一个用于比较 std::dynamic_cast 和自定义 RTTI 实现性能的 C++ 基准测试库。

1. 概念

1.1 自己实现的 RTTI 比 std 实现快的 trade off 是什么？

性能优势：

  • 更快的类型检查：自定义实现通常使用简单的整数或指针比较，而 std::dynamic_cast 需要遍历类型层次结构
  • 编译时优化：可以在编译时生成类型 ID，减少运行时开销
  • 缓存友好：减少内存访问，提高缓存命中率

Trade-offs（权衡）：

  • 类型安全性降低：失去编译器提供的类型安全保证
  • 可移植性问题：无法跨模块边界或不同编译器工作
  • 维护复杂度：需要手动管理类型注册和 ID 分配
  • 标准兼容性：不遵循 C++ 标准，可能与其他库冲突
  • 调试困难：类型错误更难追踪和调试

1.2 自己实现 RTTI 的关键是什么？

核心技术：

  1. 类型 ID 系统

    // 为每个类型分配唯一 ID
template<typename T>
struct TypeID {
    static const int value;
};

  2. 基类型信息存储

    class RTTIBase {
protected:
    int type_id_;
public:
    virtual int getTypeID() const = 0;
};

  3. 快速类型转换

    template<typename To, typename From>
To* fast_cast(From* obj) {
    return (obj && obj->getTypeID() == TypeID<To>::value)
           ? static_cast<To*>(obj) : nullptr;
}

2. 项目结构

├── include/
│   ├── rtti_base.h      # RTTI 基类定义
│   ├── fast_cast.h      # 快速类型转换实现
│   └── type_registry.h  # 类型注册系统
├── src/
│   ├── benchmark.cpp    # 基准测试代码
│   └── example.cpp      # 使用示例
├── tests/
│   └── test_rtti.cpp    # 单元测试
└── CMakeLists.txt       # 构建配置

3. 使用方法

3.1 定义支持自定义 RTTI 的类

#include "rtti_base.h"

class Shape : public RTTIBase {
public:
    DECLARE_RTTI(Shape)
    virtual void draw() = 0;
};

class Circle : public Shape {
public:
    DECLARE_RTTI(Circle)
    void draw() override { /* 实现 */ }
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    DECLARE_RTTI(Rectangle)
    void draw() override { /* 实现 */ }
};

3.2 使用快速类型转换

#include "fast_cast.h"

Shape* shape = new Circle();

// 自定义 RTTI 转换
Circle* circle1 = fast_cast<Circle>(shape);

// 标准 dynamic_cast 转换
Circle* circle2 = dynamic_cast<Circle*>(shape);

4. 基准测试结果

4.1 测试环境

  • 编译器: GCC 11.2.0 / Clang 13.0.0
  • 优化级别: -O2
  • 测试次数: 1,000,000 次类型转换

4.2 性能对比

转换类型 std::dynamic_cast fast_cast 性能提升
成功转换 45.2 ns 12.1 ns 3.7x
失败转换 38.7 ns 8.3 ns 4.7x
深层继承 89.4 ns 12.1 ns 7.4x

4.3 内存开销

实现方式 每对象开销 全局开销
std::dynamic_cast 8 bytes (vtable) 类型信息表
fast_cast 4 bytes (type_id) 类型注册表

5. 限制和注意事项

5.1 已知限制

  • 跨模块问题：不同动态库中的相同类型可能有不同的类型 ID
  • 多重继承：复杂的多重继承场景下可能失效
  • 虚继承：不支持虚继承的复杂场景

5.2 最佳实践

  • 仅在性能关键路径使用
  • 保持类型层次结构简单
  • 充分测试类型转换的正确性
  • 考虑使用 static_cast 替代简单场景

6. 构建和运行

# 克隆项目
git clone <repository-url>
cd rtti-benchmark

# 构建项目
mkdir build && cd build
cmake ..
make

# 运行基准测试
./rtti_benchmark

# 运行单元测试
./test_rtti

7. 参考资料

Dynamic Cast 和 RTTI 的问题在于它不能跨越模块边界或不同的编译器。