c++ - 为什么 C 风格的转换行为与 dynamic_cast 不同？

Question

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 引用转换到 ControlBase(因为我知道它派生自它) >，还有 C 风格 转换:

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，其他两个转换返回略有不同的内存地址，并且 GetType() 函数返回不正确的值。

具体原因是什么？ C 风格的强制转换最终会使用 reinterpret_cast 吗？与多态对象在内存中的对齐方式有关吗？

Answer 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 不相关。

C++ 标准定义了 C 风格的强制转换，在 [expr.cast] 中称为“显式类型转换(强制转换符号)”。您可以(也许应该)阅读整段内容以准确了解 C 风格的转换是如何定义的。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
• 重新解释_cast
• reinterpret_cast 后跟 const_cast

这个列表的顺序很重要，因为:

If a conversion can be interpreted in more than one of the ways listed above, the interpretation that appears first in the list is used, even if a cast resulting from that interpretation is ill-formed.

让我们检查一下您的示例

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

无法使用 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* 到 Base*。因此，使用了reinterpret_cast。

补充说明:您问题的实际答案是:由于上面列表中没有 dynamic_cast，C 风格的转换从不表现得像 dynamic_cast。

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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说明它是如何实现的:

具有至少一个虚函数(继承的或自己的)的类的每个对象都包含(读作:可以包含，在这个例子中)一个指向 vtable 的指针。如果它从多个类继承虚函数，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=======================================+|                                            ||  +-Base---------+   +-Interface---------+  ||  | vtable_Base* |   | vtable_Interface* |  ||  +--------------+   +-------------------+  ||                                            |+============================================+

Now, the example:

     Impl  impl;

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

+=Impl=======================================+|                                            ||  +-Base---------+   +-Interface---------+  ||  | vtable_Base* |   | vtable_Interface* |  ||  +--------------+   +-------------------+  ||  ^                  ^                      |+==|==================|======================+^  |                  ||  +-- pBase          +-- pIntfc|+-- pimpl

If you instead do a reinterpret_cast, the result is implementation-defined, but it could result in something like this:

     Impl  impl;

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

+=Impl=======================================+|                                            ||  +-Base---------+   +-Interface---------+  ||  | vtable_Base* |   | vtable_Interface* |  ||  +--------------+   +-------------------+  ||                     ^                      |+=====================|======================+^                     ||                     +-- pIntfc|                     |+-- pimpl             +-- 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，如果调用 pBase->GetType()，将使用 vtable_Interface*，其中包含 SomeMethod 条目，并且函数被调用。此函数不返回任何内容，因此在此示例中，鼻恶魔被召唤并接管了世界。或者从栈中取出一些值作为返回值。