为什么C样式转换的行为与dynamic_cast不同

Why does C-style cast behave differently than dynamic_cast?

本文关键字：dynamic cast 不同 样式 转换 为什么      更新时间：2023-10-16

我有以下类层次结构：

class IControl
{
    virtual void SomeMethod() = 0; // Just to make IControl polymorphic.
};
class ControlBase
{
public:
    virtual int GetType() = 0;
};
class ControlImpl : public ControlBase, public IControl
{
public:
    virtual void SomeMethod() { }
    virtual int GetType()
    {
        return 1;
    }
};

我有一个IControl抽象类和一个
ControlBase类。ControlBase类不是从IControl继承的，但我知道每个IControl实现都将从ControlBase派生。

我有以下测试代码，其中我用dynamic_cast和C-style转换了一个IControl-对ControlBase的引用（因为我知道它派生自它）：

int main()
{
    ControlImpl stb;
    IControl& control = stb;
    ControlBase& testCB1 = dynamic_cast<ControlBase&>(control);
    ControlBase& testCB2 = (ControlBase&)control;
    ControlBase* testCB3 = (ControlBase*)&control;
    std::cout << &testCB1 << std::endl;
    std::cout << &testCB2 << std::endl;
    std::cout << testCB3 << std::endl;
    std::cout << std::endl;
    std::cout << testCB1.GetType() << std::endl; // This properly prints "1".
    std::cout << testCB2.GetType() << std::endl; // This prints some random number.
    std::cout << testCB3->GetType() << std::endl; // This prints some random number.
}

只有dynamic_cast工作正常，其他两个强制转换返回的内存地址略有不同，GetType（）函数返回的值不正确。

这到底是什么原因？C样式的强制转换是否最终使用interpret_cast？它与多态对象在内存中的排列方式有关吗？

我认为您的示例中的类名有点令人困惑。让我们称它们为Interface、Base和Impl。注意，Interface和Base是不相关的。

C++标准定义了C样式转换，在[expr.cast]中称为"显式类型转换（转换表示法）"。您可以（也许应该）阅读整段内容，以确切了解C样式转换是如何定义的。对于OP中的示例，以下内容就足够了：

C样式可以执行[expr.cast]/4:之一的转换

  • const_cast
  • static_cast
  • static_cast后为const_cast
  • reinterpret_cast
  • reinterpret_cast后为const_cast

这个列表的顺序很重要，因为：

如果转换可以用以上列出的一种以上方式进行解释，则使用列表中第一个出现的解释，即使该解释产生的转换形式不正确。

让我们检查一下您的示例

Impl impl;
Interface* pIntfc = &impl;
Base* pBase = (Base*)pIntfc;

不能使用const_cast，列表中的下一个元素是static_cast。但类Interface和Base是不相关的，因此没有static_cast可以从Interface*转换为Base*。因此，使用reinterpret_cast。

附加说明：您的问题的实际答案是：由于上面的列表中没有dynamic_cast，因此C样式转换的行为永远不会像dynamic_cast那样。

实际地址的变化不是C++语言定义的一部分，但我们可以举一个如何实现的例子：

具有至少一个虚拟函数（继承的或自己的）的类的每个对象都包含（在本例中，读取：可能包含）指向vtable的指针。如果它从多个类继承虚拟函数，那么它包含多个指向vtables的指针。由于空基类优化（没有数据成员），Impl的实例可能如下所示：

+=Impl=======================================+|||+-底座-------++-接口-------++|||vtable_Base*||vtable_Interface*|||+----------------+----------------+|||+============================================+

现在，示例：

     Impl  impl;
     Impl* pImpl  = &impl;
Interface* pIntfc = pImpl;
     Base* pBase  = pImpl;

+=Impl=======================================+|||+-底座-------++-接口-------++|||vtable_Base*||vtable_Interface*|||+----------------+----------------+||^^|+==|==================|======================+^|||+--pBase+--pIntfc|+--皮条客

如果您改为执行reinterpret_cast，则结果是由实现定义的，但它可能会导致以下结果：

     Impl  impl;
     Impl* pImpl  = &impl;
Interface* pIntfc = pImpl;
     Base* pBase  = reinterpret_cast<Base*>(pIntfc);

+=Impl=======================================+|||+-底座-------++-接口-------++|||vtable_Base*||vtable_Interface*|||+----------------+----------------+||^|+=====================|======================+^||+--pIntfc||+--皮条+--pBase

即地址不变，pBase指向Impl对象的Interface子对象。

请注意，取消引用指针pBase已经将我们带到UB土地，标准没有指定应该发生什么。在此示例性实现中，如果调用pBase->GetType()，则使用包含SomeMethod条目的vtable_Interface*，并调用该函数。这个函数不返回任何东西，所以在这个例子中，鼻妖被召唤并接管世界。或者从堆栈中获取某个值作为返回值。

这到底是什么原因？

确切的原因是标准保证dynamic_cast在这种情况下工作，而其他类型调用未定义的行为。

C样式的强制转换最终会使用repret_cast吗？

是的，在这种情况下确实如此。（附带说明：永远不要使用C样式转换）。

它与多态对象在内存中的排列方式有关吗？

我认为这与使用多重继承的多态对象在内存中的布局方式有关。在具有单一继承的语言中，dynamic_cast将不是必需的，因为基子对象地址将与派生对象地址一致。在多重继承的情况下，情况并非如此，因为有多个基子对象，并且不同的基子对象必须具有不同的地址。

有时编译器可以计算每个子对象地址和派生对象地址之间的偏移量。如果偏移量为非零，则强制转换操作将变为指针加法或减法，而不是no-op。（在虚拟继承upcast的情况下，它稍微复杂一些，但编译器仍然可以做到这一点）。

编译器至少有两种情况不能做到这一点：

  1. 交叉转换（也就是说，在两个类之间，这两个类都不是另一个的基类）
  2. 从虚拟基地进行的向下广播

在这些情况下，dynamic_cast是唯一的投射方式。

相关文章：