为什么涉及虚拟继承时不能使用static_cast向下转型？

Question

考虑以下代码：

struct Base {};
struct Derived : public virtual Base {};

void f()
{
    Base* b = new Derived;
    Derived* d = static_cast<Derived*>(b);
}

这是标准所禁止的 ([n3290: 5.2.9/2])，因此代码无法编译，因为 Derived virtually< /em> 继承自Base。从继承中删除virtual 会使代码有效。

该规则存在的技术原因是什么？

Answer 1

技术问题是无法从 Base* 计算出 Base 子对象的开头与 的开头之间的偏移量是多少派生对象。

在您的示例中，它看起来没问题，因为只能看到一个带有 Base 基的类，因此继承是虚拟的似乎无关紧要。但编译器不知道是否有人定义了另一个 class Derived2 ：public virtual Base, public Derived {}，并且正在强制转换指向 Base 的 Base* 的子对象。一般来说[*]，Derived2 中的Base 子对象和Derived 子对象之间的偏移量可能与Derived2 之间的偏移量不同。 code>Base 子对象和最派生类型为 Derived 的对象的完整 Derived 对象，正是因为 Base 实际上是遗传。

因此，无法知道完整对象的动态类型，以及您给出的强制转换指针与所需结果之间的不同偏移量，具体取决于动态类型是什么。因此演员阵容是不可能的。

你的Base没有虚函数，因此没有RTTI，所以当然没有办法告诉完整对象的类型。即使 Base 确实有 RTTI（我不立即知道为什么），转换仍然被禁止，但我猜想在这种情况下没有检查 dynamic_cast 是否可能。

[*] 我的意思是，如果这个例子不能证明这一点，那么继续添加更多虚拟继承，直到找到偏移量不同的情况;-)

Answer 2

static_cast 只能执行那些在编译时已知类之间的内存布局的转换。 dynamic_cast 可以在运行时检查信息，这样可以更准确地检查转换的正确性，并读取有关内存布局的运行时信息。

虚拟继承将运行时信息放入每个对象中，该信息指定Base 和Derived 之间的内存布局。是一个接着一个还是有一个额外的间隙？由于static_cast无法访问此类信息，因此编译器将采取保守的做法，仅给出编译器错误。

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更详细地说：

考虑一个复杂的继承结构，其中 - 由于多重继承 - 存在 Base 的多个副本。最典型的场景是菱形继承：

class Base {...};
class Left : public Base {...};
class Right : public Base {...};
class Bottom : public Left, public Right {...};

在此场景中，Bottom 由 Left 和 Right 组成，其中每个都有它自己的Base副本。上述所有类的内存结构在编译时都是已知的，并且可以毫无问题地使用static_cast。

现在让我们考虑类似的结构，但具有 Base 的虚拟继承：

class Base {...};
class Left : public virtual Base {...};
class Right : public virtual Base {...};
class Bottom : public Left, public Right {...};

使用虚拟继承可确保在创建 Bottom 时，它仅包含一个 Base 的副本，在对象部分 Left 和 Right 之间共享。例如，Bottom 对象的布局可以是：

Base part
Left part
Right part
Bottom part

现在，考虑将 Bottom 强制转换为 Right （这是有效的强制转换）。您获得一个指向对象的 Right 指针，该对象分为两部分：Base 和 Right 之间有一个内存间隙，包含（现在-不相关）Left 部分。有关此间隙的信息在运行时存储在 Right 的隐藏字段中（通常称为 vbase_offset）。您可以在此处阅读详细信息。

但是，如果您只创建一个独立的 Right 对象，则间隙将不存在。

因此，如果我只给您一个指向 Right 的指针，您在编译时不知道它是一个独立对象，还是更大对象的一部分（例如 Bottom）。您需要检查运行时信息以正确从 Right 转换为 Base。这就是为什么static_cast会失败而dynamic_cast不会。

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关于dynamic_cast的注意事项：

虽然static_cast不使用有关对象的运行时信息，但dynamic_cast使用并且需要它存在！因此，后一种强制转换只能用于那些至少包含一个虚拟函数（例如虚拟析构函数）的类

Answer 3

从根本上来说，没有真正的原因，但目的是
static_cast 非常便宜，最多涉及一个添加或一个
常量与指针的减法。并且没有办法
便宜地实现你想要的演员阵容；基本上，因为
对象内 Derived 和 Base 的相对位置可能会改变
如果有额外的继承，则转换需要良好的
处理dynamic_cast的开销；委员会成员
可能认为这违背了使用static_cast的原因
而不是dynamic_cast。

Answer 4

考虑以下函数 foo：

#include <iostream>

struct A
{
    int Ax;
};

struct B : virtual A
{
    int Bx;
};

struct C : B, virtual A
{
    int Cx;
};


void foo( const B& b )
{
    const B* pb = &b;
    const A* pa = &b;

    std::cout << (void*)pb << ", " << (void*)pa << "\n";

    const char* ca = reinterpret_cast<const char*>(pa);
    const char* cb = reinterpret_cast<const char*>(pb);

    std::cout << "diff " << (cb-ca) << "\n";
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    C c;
    foo(c);

    B b;
    foo(b);
}

虽然不是真正可移植的，但该函数向我们显示了 A 和 B 的“偏移量”。由于编译器在继承的情况下可以非常自由地放置 A 子对象（还请记住最派生的对象调用虚拟基构造函数！），实际放置取决于对象的“真实”类型。但由于 foo 只获得对 B 的引用，任何 static_cast （在编译时最多通过应用一些偏移量来工作）必然会失败。

ideone.com (http://ideone.com/2qzQu) 的输出为：

0xbfa64ab4, 0xbfa64ac0
diff -12
0xbfa64ac4, 0xbfa64acc
diff -8

Answer 5

static_cast 是一个编译时构造。它在编译时检查强制转换的有效性，如果强制转换无效则给出编译错误。

虚拟主义是一种运行时现象。

两者不能在一起。

C++03 标准 §5.2.9/2 和 §5.2.9/9 与本例相关。

“指向 cv1 B 的指针”类型的右值（其中 B 是类类型）可以转换为“指向 cv2 D 的指针”类型的右值，其中 D 是从 B 派生的类（第 10 条），如果存在从“指向 D 的指针”到“指向 B 的指针”的有效标准转换 (4.10)，cv2 与 cv1 具有相同的 cv 限定，或者比 cv1 更高的 cv 限定，并且B 不是 D 的虚拟基类。空指针值（4.10）被转换为目标类型的空指针值。如果“指向 cv1 B 的指针”类型的右值指向实际上是 D 类型对象的子对象的 B，则结果指针指向 D 类型的封闭对象。否则，强制转换的结果是未定义的.

Answer 6

我想，这是由于具有虚拟继承的类具有不同的内存布局。父级必须在子级之间共享，因此只能连续布置其中之一。这意味着，不能保证您能够分离连续的内存区域以将其视为派生对象。