为啥 C-style cast 的行为与 dynamic_cast 不同？

Posted 2023-02-23

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【中文标题】为啥 C-style cast 的行为与 dynamic_cast 不同？【英文标题】：Why does C-style cast behave differently than dynamic_cast?为什么 C-style cast 的行为与 dynamic_cast 不同？ 【发布时间】：2013-08-03 18:50:41 【问题描述】：

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 类不继承自 IControl，但我知道每个 IControl 实现都将派生自 ControlBase。

我有以下测试代码，其中我使用 dynamic_cast将 IControl-reference 投射到 ControlBase（因为我知道它派生自它） >，以及 C 风格 演员表：

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

这究竟是什么原因？ C 风格的演员表最终会使用 reinterpret_cast 吗？和多态对象在内存中的对齐方式有关系吗？

【问题讨论】：

When should static_cast, dynamic_cast and reinterpret_cast be used?的可能重复我已经看到了这个问题并阅读了答案（以及有关此主题的其他答案）。但对我来说，仍然不清楚为什么会在这种具体情况下发生这种情况，这就是为什么我发布了一个单独的问题。请注意ControlBase* testCB3 = static_cast<ControlBase*>(&control); 和ControlBase* testCB4 = static_cast<ControlImpl*>(&control); 之间存在差异。后者不调用 UB（并为 GetType() 测试正确生成 1）。仅仅因为您知道 ControlBase 和 IControl 作为基类一起出现并不意味着编译器会推断出这个事实。该标准并没有说编译器需要弄清楚这一点。我认为 dynamic_cast 是有效的，因为编译器知道“控制”实际上是一个 ControlImpl，如果你通过函数参数传递引用，我认为它不会起作用。我不能手动进行静态转换，这一行：ControlBase* testCB4 = static_cast<ControlBase*>(&control); 给出编译器错误error C2440: 'static_cast' : cannot convert from 'IControl *' to 'ControlBase *'。这就是为什么我认为 C 风格的演员做了 reinterpret_cast。 【参考方案1】：

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

C++ 标准定义了 C 风格的转换，在 [expr.cast] 中称为“显式类型转换（转换表示法）”。您可以（也许应该）阅读整个段落，以准确了解 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 风格可以执行 [expr.cast]/4 之一的转换：

const_cast static_cast static_cast 后跟 const_cast reinterpret_cast reinterpret_cast 后跟 const_cast

这个列表的顺序很重要，因为：

如果转换可以通过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，即使由该解释产生的强制转换是不正确的。

让我们看看你的例子

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。但是Interface 和Base 类不相关，因此没有static_cast 可以从Interface* 转换为Base*。因此，使用了reinterpret_cast。

补充说明：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 样式的强制转换永远不会像 @ 987654343@.

实际地址如何变化不是 C++ 语言定义的一部分，但我们可以举一个例子来说明它是如何实现的：

具有至少一个虚函数（继承的或拥有的）的类的每个对象都包含（阅读：可以包含，在本例中）一个指向 vtable 的指针。如果它从多个类继承虚函数，则它包含多个指向 vtable 的指针。由于空基类优化（无数据成员），Impl 的实例可能如下所示：

现在，例子：

     Impl  impl;

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

+=Impl=========================================+ | | | +-基础---------+ +-接口---------+ | | | vtable_Base* | | vtable_Interface* | | | +--------------+ +---------+ | | ^ ^ | +==|===================|=======================+ ^ | | | +-- pBase +-- pIntfc | +-- 粉刺

如果您改为使用reinterpret_cast，则结果是实现定义的，但可能会导致如下结果：

     Impl  impl;

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

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 已经将我们带到了UB-land，标准没有指定应该发生什么。在此示例性实现中，如果您调用pBase->GetType()，则使用包含SomeMethod 条目的vtable_Interface*，并调用该函数。此函数不返回任何内容，因此在此示例中，召唤了鼻恶魔并占领了世界。或者从堆栈中取出某个值作为返回值。

【讨论】：

感谢您的详尽回答，这很有意义！在这些行中：Interface* pIntfc = pImpl; 或 Base* pBase = pImpl;，我们甚至不必使用 dynamic_cast，因为我们向上转换继承树，这可以隐式完成，对吧？右：[conv.ptr]/3 "A prvalue of type "pointer to cv D"，其中D是类类型，可以转换指向“指向cv B的指针”类型的纯右值，其中B是D的基类。如果B是D的不可访问或模棱两可的基类，需要进行这种转换的程序格式不正确。”【参考方案2】：