C++ 中的dynamic_cast 和static_cast

Question

我对 C++ 中的 dynamic_cast 关键字感到非常困惑。

struct A {
    virtual void f() { }
};
struct B : public A { };
struct C { };

void f () {
    A a;
    B b;

    A* ap = &b;
    B* b1 = dynamic_cast<B*> (&a);  // NULL, because 'a' is not a 'B'
    B* b2 = dynamic_cast<B*> (ap);  // 'b'
    C* c = dynamic_cast<C*> (ap);   // NULL.

    A& ar = dynamic_cast<A&> (*ap); // Ok.
    B& br = dynamic_cast<B&> (*ap); // Ok.
    C& cr = dynamic_cast<C&> (*ap); // std::bad_cast
}

定义说：

dynamic_cast 关键字从一个指针或引用转换数据 键入另一个，执行运行时检查以确保转换的有效性

我们可以用 C 编写与 C++ 的 dynamic_cast 等效的代码，以便我可以更好地理解事物吗？

Answer 1

以下是 static_cast<> 和 dynamic_cast<> 的概述，特别是它们与指针相关。这只是 101 级的概要，并没有涵盖所有复杂的内容。

static_cast< Type* >(ptr)

这将获取 ptr 中的指针，并尝试将其安全地转换为 Type* 类型的指针。此转换是在编译时完成的。仅当类型相关时，它才会执行强制转换。如果类型不相关，您将收到编译器错误。例如：

class B {};
class D : public B {};
class X {};

int main()
{
  D* d = new D;
  B* b = static_cast<B*>(d); // this works
  X* x = static_cast<X*>(d); // ERROR - Won't compile
  return 0;
}

dynamic_cast< Type* >(ptr)

这再次尝试获取 ptr 中的指针并将其安全地转换为 Type* 类型的指针。但这个转换是在运行时执行的，而不是编译时执行的。因为这是一个运行时转换，所以它在与多态类结合时尤其有用。事实上，在某些情况下，类必须是多态的，这样转换才合法。

强制转换可以沿两个方向之一进行：从基础到派生 (B2D) 或从派生到基础 (D2B)。很容易看出 D2B 转换在运行时如何工作。 ptr 要么是从 Type 派生的，要么不是。在D2Bdynamic_cast的情况下，规则很简单。您可以尝试将任何内容转换为其他内容，如果 ptr 实际上是从 Type 派生的，您将获得一个 Type* 指针来自dynamic_cast。否则，您将得到一个 NULL 指针。

但 B2D 转换稍微复杂一些。考虑以下代码：

#include <iostream>
using namespace std;

class Base
{
public:
    virtual void DoIt() = 0;    // pure virtual
    virtual ~Base() {};
};

class Foo : public Base
{
public:
    virtual void DoIt() { cout << "Foo"; }; 
    void FooIt() { cout << "Fooing It..."; }
};

class Bar : public Base
{
public :
    virtual void DoIt() { cout << "Bar"; }
    void BarIt() { cout << "baring It..."; }
};

Base* CreateRandom()
{
    if( (rand()%2) == 0 )
        return new Foo;
    else
        return new Bar;
}


int main()
{
    for( int n = 0; n < 10; ++n )
    {
        Base* base = CreateRandom();

            base->DoIt();

        Bar* bar = (Bar*)base;
        bar->BarIt();
    }
  return 0;
}

main() 无法判断 CreateRandom() 将返回哪种类型的对象，因此 C 风格转换 Bar* bar = ( Bar*)base; 显然不是类型安全的。你如何解决这个问题？一种方法是将 bool AreYouABar() const = 0; 之类的函数添加到基类，并从 Bar 和 返回 true来自 Foo 的 >false。但还有另一种方法：使用dynamic_cast<>：

int main()
{
    for( int n = 0; n < 10; ++n )
    {
        Base* base = CreateRandom();

        base->DoIt();

        Bar* bar = dynamic_cast<Bar*>(base);
        Foo* foo = dynamic_cast<Foo*>(base);
        if( bar )
            bar->BarIt();
        if( foo )
            foo->FooIt();
    }
  return 0;

}

强制转换在运行时执行，并通过查询对象（现在无需担心如何）来工作，询问它是否是我们的类型正在寻找。如果是，dynamic_cast 返回一个指针；否则返回 NULL。

为了使用dynamic_cast<>实现从基到派生的转换，Base、Foo 和 Bar 必须是标准所称的多态类型。为了成为多态类型，您的类必须至少有一个虚函数。如果您的类不是多态类型，则 dynamic_cast 的基类到派生类的使用将无法编译。示例：

class Base {};
class Der : public Base {};


int main()
{
    Base* base = new Der;
    Der* der = dynamic_cast<Der*>(base); // ERROR - Won't compile

    return 0;
}

向基添加虚拟函数，例如虚拟 dtor，将使 Base 和 Der 都成为多态类型：

class Base 
{
public:
    virtual ~Base(){};
};
class Der : public Base {};


int main()
{
    Base* base = new Der;
    Der* der = dynamic_cast<Der*>(base); // OK

    return 0;
}

Answer 2

除非您实现自己的手动 RTTI（并绕过系统 RTTI），否则不可能直接在 C++ 用户级代码中实现 dynamic_cast。 dynamic_cast 与 C++ 实现的 RTTI 系统密切相关。

但是，为了帮助您更多地了解 RTTI（以及 dynamic_cast），您应该阅读 标头和 typeid操作员。这将返回与您手头的对象相对应的类型信息，您可以从这些类型信息对象中查询各种（有限的）事物。

Answer 3

不仅仅是 C 中的代码，我认为英语定义就足够了：

给定一个类 Base，其中有一个派生类 Derived，dynamic_cast 会将 Base 指针转换为 Derived 指针当且仅当指向的实际对象实际上是派生对象。

class Base { virtual ~Base() {} };
class Derived : public Base {};
class Derived2 : public Base {};
class ReDerived : public Derived {};

void test( Base & base )
{
   dynamic_cast<Derived&>(base);
}

int main() {
   Base b;
   Derived d;
   Derived2 d2;
   ReDerived rd;

   test( b );   // throw: b is not a Derived object
   test( d );   // ok
   test( d2 );  // throw: d2 is not a Derived object
   test( rd );  // ok: rd is a ReDerived, and thus a derived object
}

在示例中，对 test 的调用将不同的对象绑定到对 Base 的引用。在内部，引用以类型安全的方式向下转型到对 Derived 的引用：仅当引用的对象确实是 Derived 的实例时，向下转型才会成功。

Answer 4

首先，为了用 C 术语描述动态转换，我们必须用 C 来表示类。
具有虚函数的类使用指向虚函数的指针的“VTABLE”。
注释是C++。请随意重新格式化并修复编译错误...

// class A { public: int data; virtual int GetData(){return data;} };
typedef struct A { void**vtable; int data;} A;
int AGetData(A*this){ return this->data; }
void * Avtable[] = { (void*)AGetData };
A * newA() { A*res = malloc(sizeof(A)); res->vtable = Avtable; return res; }

// class B : public class A { public: int moredata; virtual int GetData(){return data+1;} }
typedef struct B { void**vtable; int data; int moredata; } B;
int BGetData(B*this){ return this->data + 1; }
void * Bvtable[] = { (void*)BGetData };
B * newB() { B*res = malloc(sizeof(B)); res->vtable = Bvtable; return res; }

// int temp = ptr->GetData();
int temp = ((int(*)())ptr->vtable[0])();

然后动态转换类似于：

// A * ptr = new B();
A * ptr = (A*) newB();
// B * aB = dynamic_cast<B>(ptr);
B * aB = ( ptr->vtable == Bvtable ? (B*) aB : (B*) 0 );

Answer 5

在类型检查方面，以下内容与您从 C++ 的 dynamic_cast 中获得的内容并不十分接近，但也许它会帮助您更好地理解其目的：

struct Animal // Would be a base class in C++
{
    enum Type { Dog, Cat };
    Type type;
};

Animal * make_dog()
{
   Animal * dog = new Animal;
   dog->type = Animal::Dog;
   return dog;
}
Animal * make_cat()
{
   Animal * cat = new Animal;
   cat->type = Animal::Cat;
   return cat;
}

Animal * dyn_cast(AnimalType type, Animal * animal)
{
    if(animal->type == type)
        return animal;
    return 0;
}

void bark(Animal * dog)
{
    assert(dog->type == Animal::Dog);

    // make "dog" bark
}

int main()
{
    Animal * animal;
    if(rand() % 2)
        animal = make_dog();
    else
        animal = make_cat();

    // At this point we have no idea what kind of animal we have
    // so we use dyn_cast to see if it's a dog

    if(dyn_cast(Animal::Dog, animal))
    {
        bark(animal); // we are sure the call is safe
    }

    delete animal;
}

Answer 6

dynamic_cast 使用 RTTI 执行类型检查。如果失败，它将抛出异常（如果您给它一个引用），或者如果您给它一个指针，则抛出 NULL。

Answer 7

C 中没有类，因此不可能用该语言编写dynamic_cast。 C 结构没有方法（因此，它们没有虚方法），因此其中没有任何“动态”内容。

Answer 8

不，不容易。编译器为每个类分配一个唯一的标识，每个对象实例都会引用该信息，这就是在运行时检查以确定动态强制转换是否合法的信息。您可以使用此信息和运算符创建一个标准基类，以对该基类进行运行时检查，然后任何派生类都会通知基类其在类层次结构中的位置，并且这些类的任何实例都可以通过运行时进行转换您的操作。

编辑

这是演示一种技术的实现。我并不是说编译器使用类似的东西，但我认为它演示了这些概念：

class SafeCastableBase
{
public:
    typedef long TypeID;
    static TypeID s_nextTypeID;
    static TypeID GetNextTypeID()
    {
        return s_nextTypeID++;
    }
    static TypeID GetTypeID()
    {
        return 0;
    }
    virtual bool CanCastTo(TypeID id)
    {
        if (GetTypeID() != id) { return false; }
        return true;
    }
    template <class Target>
    static Target *SafeCast(SafeCastableBase *pSource)
    {
        if (pSource->CanCastTo(Target::GetTypeID()))
        {
            return (Target*)pSource;
        }
        return NULL;
    }
};
SafeCastableBase::TypeID SafeCastableBase::s_nextTypeID = 1;

class TypeIDInitializer
{
public:
    TypeIDInitializer(SafeCastableBase::TypeID *pTypeID)
    {
        *pTypeID = SafeCastableBase::GetNextTypeID();
    }
};

class ChildCastable : public SafeCastableBase
{
public:
    static TypeID s_typeID;
    static TypeID GetTypeID()
    {
        return s_typeID;
    }
    virtual bool CanCastTo(TypeID id)
    {
        if (GetTypeID() != id) { return SafeCastableBase::CanCastTo(id); }
        return true;
    }
};
SafeCastableBase::TypeID ChildCastable::s_typeID;

TypeIDInitializer ChildCastableInitializer(&ChildCastable::s_typeID);

class PeerChildCastable : public SafeCastableBase
{
public:
    static TypeID s_typeID;
    static TypeID GetTypeID()
    {
        return s_typeID;
    }
    virtual bool CanCastTo(TypeID id)
    {
        if (GetTypeID() != id) { return SafeCastableBase::CanCastTo(id); }
        return true;
    }
};
SafeCastableBase::TypeID PeerChildCastable::s_typeID;

TypeIDInitializer PeerChildCastableInitializer(&PeerChildCastable::s_typeID);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    ChildCastable *pChild = new ChildCastable();
    SafeCastableBase *pBase = new SafeCastableBase();
    PeerChildCastable *pPeerChild = new PeerChildCastable();
    ChildCastable *pSameChild = SafeCastableBase::SafeCast<ChildCastable>(pChild);
    SafeCastableBase *pBaseToChild = SafeCastableBase::SafeCast<SafeCastableBase>(pChild);
    ChildCastable *pNullDownCast = SafeCastableBase::SafeCast<ChildCastable>(pBase);
    SafeCastableBase *pBaseToPeerChild = SafeCastableBase::SafeCast<SafeCastableBase>(pPeerChild);
    ChildCastable *pNullCrossCast = SafeCastableBase::SafeCast<ChildCastable>(pPeerChild);
    return 0;
}

Answer 9

static_cast<； C++ 中的Type* >(ptr)

static_cast 可用于所有类型转换可以在编译时验证的场景。

<代码>dynamic_cast< C++ 中的Type* >(ptr)

dynamic_cast 可用于执行类型安全向下转换。 dynamic_cast 是运行时多态性。 Dynamic_cast 运算符，可安全地将基类型的指针（或引用）转换为派生类型的指针（或引用）。

例如1：

#include <iostream>
using namespace std;

class A
{
public:
    virtual void f(){cout << "A::f()" << endl;}
};

class B : public A
{
public:
    void f(){cout << "B::f()" << endl;}
};

int main()
{
    A a;
    B b;
    a.f();        // A::f()
    b.f();        // B::f()

    A *pA = &a;   
    B *pB = &b;   
    pA->f();      // A::f()
    pB->f();      // B::f()

    pA = &b;
    // pB = &a;      // not allowed
    pB = dynamic_cast<B*>(&a); // allowed but it returns NULL

    return 0;
}

了解更多信息点击这里

例如2：

#include <iostream>

using namespace std;

class A {
public:
    virtual void print()const {cout << " A\n";}
};

class B {
public:
    virtual void print()const {cout << " B\n";}
};

class C: public A, public B {
public:
    void print()const {cout << " C\n";}
};


int main()
{

    A* a = new A;
    B* b = new B;
    C* c = new C;

    a -> print(); b -> print(); c -> print();
    b = dynamic_cast< B*>(a);  //fails
    if (b)  
       b -> print();  
    else 
       cout << "no B\n";
    a = c;
    a -> print(); //C prints
    b = dynamic_cast< B*>(a);  //succeeds
    if (b)
       b -> print();  
    else 
       cout << "no B\n";
}

Answer 10

Dynamic_cast 使用 RTTI。它会减慢您的应用程序的速度，您可以使用修改访问者设计模式来实现无需 RTTI 的向下转型 http://arturx64.github.io/programming-world/2016/02/06/lazy-visitor.html