c++ - 将派生类的指针数组转换为基类指针数组

Question

考虑这样的继承层次结构: 一种 /\ B1 B2 \/ C | 丁 像这样在 C++ 中实现:

class A {
public:
    A() {};
    virtual ~A() = 0;
    double a;
};

A::~A() {};

class B1 : virtual public A {
public:
    B1() {}
    virtual ~B1() {}
    double b1;
};

class B2 : virtual public A {
public:
    B2() {}
    virtual ~B2() {}
    double b2;
};

class C : public B1, public B2 {
public:
    C() {}
    virtual ~C() {}
    double c;
};

class D : public C {
public:
    D() {}
    virtual ~D() {}
    double d;
};

现在，显然我可以做这样的事情:

D *d = new D();
A *a = (A*) d;
D *d_down = dynamic_cast<D*>(a);
assert(d_down != NULL); //holds

但是，我似乎无法弄清楚如何使用数组获得相同的行为。请考虑以下代码示例以了解我的意思:

D *d[10];
for (unsigned int i = 0; i < 10; i++) {
    d[i] = new D();
}

A **a = (A**) d;
D *d_down = dynamic_cast<D*>(a[0]);
assert(d_down != NULL); //fails!

所以我的问题是:

• 为什么上述断言会失败？
• 我怎样才能达到预期的行为？
• 我偶然注意到，如果我从类 A 到 D 中删除 double 字段，上面的 dynamic_cast 会起作用。这是为什么呢？

Answer 1

问题是，(A*)d 在数值上不等于 d!

看，你有一个像这样的对象

+---------------------+
| A: vtable ptr A     | <----- (A*)d points here!
|    double a         |
+---------------------+
+---------------------+
| D:                  | <----- d points here (and so do (C*)d and (B1*)d)!
|+-------------------+|
|| C:                ||
||+-----------------+||
||| B1: vptr B1,C,D |||
|||     double b1   |||
||+-----------------+||
||+-----------------+|| <----- (B2*)d points here!
||| B2: vptr B2     |||
|||     double b2   |||
||+-----------------+||
||    double c       ||
|+-------------------+|
|    double d         |
+---------------------+

当您通过static_cast 或dynamic_cast 将D* 转换为A* 时，编译器将注入(inject)必要的算术。

但是当你通过 reinterpret_cast 转换它时，或者将 D** 转换为 A**，这是一样的，指针将保留其数值，因为强制转换并没有赋予编译器取消引用第一层以调整第二层的权利。

但是指针仍然指向 D 的 vtable，而不是 A 的 vtable，因此不会被识别为 A。

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更新:我检查了编译器 (g++) 中的布局，图片现在应该反射(reflect)了在相关案例中生成的实际布局。它表明虚拟基地位于负 偏移处。这是因为虚拟基址根据实际类型处于不同的偏移量，因此它不能成为对象本身的一部分。

对象的地址确实与第一个非虚拟基址的地址一致。但是，规范不保证它适用于具有虚方法或基类的对象，因此也不要依赖它。

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这表明使用适当的转换的重要性。可以通过 static_cast、dynamic_cast 或函数样式转换隐式完成的转换是可靠的，编译器将注入(inject)适当的调整。

然而，使用 reinterpret_cast 清楚地表明编译器不会进行调整，您只能靠自己了。

A *a = static_cast<A *>(d);

没问题，但是

A **aa = static_cast<A **>(&d);

是编译错误。

C 风格转换的问题在于它会在可能时执行static_cast 否则会执行reinterpret_cast，因此您可以跨越边界以未定义的行为在没有注意到的情况下落地。这就是为什么您不应该在 C++ 中使用 C 风格的转换。曾经。

请注意，由于别名规则，编写 reinterpret_cast 本质上总是暗示未定义的行为。至少 GCC 确实根据别名规则进行了优化。唯一的异常(exception)是 cv-(signed/unsigned) char *，它不受严格别名的限制。但是只有在指向 standard layout types 的指针之间进行转换才有意义。 ，因为您不能依赖具有基(任何，不仅仅是虚拟)和/或虚拟成员的对象布局。