c++ reinterpret_cast、virtual 和 templates 可以吗？

Question

在 C++ 中，假设以下类层次结构：

class BaseClass { };
class ChildClass : public BaseClass { };

进一步假设这两个类的工厂类具有公共模板化基类：

template<typename T>
class Factory {
public:
  virtual T* create() = 0;
};

class BaseClassFactory : public Factory<BaseClass> {
public:
  virtual BaseClass* create() {
    return new BaseClass(&m_field);
  }
private:
  SomeClass m_field;
};

class ChildClassFactory : public Factory<ChildClass> {
public:
  virtual ChildClass* create() {
    return new ChildClass(&m_field);
  }
private:
  SomeOtherClass m_field; // Different class than SomeClass
};

请注意，ChildClassFactory 和 BaseClassFactory 的大小/内部结构为因领域不同而不同。

现在，如果 a 有一个 ChildClassFactory （或 Factory）的实例，我可以安全地将其转换为 Factory （通过reinterpret_cast）？

Factory<ChildClass>* childFactory = new ChildClassFactory();

// static_cast doesn't work - need to use reinterpret_cast
Factory<BaseClass>* baseFactory = reinterpret_cast<Factory<BaseClass>*>(childFactory);

// Does this work correctly? (i.e. is "cls" of type "ChildClass"?)
BaseClass* cls = baseFactory->create();

我知道您不能总是以这种方式强制转换模板类，但在这种特殊情况下强制转换应该是安全的，不是吗？

我已经用 Visual C++ 2010 对其进行了测试，它确实有效。我现在的问题是这是否可以移植到其他编译器？

更新：由于存在一些混乱，让我澄清一些在我的示例中（应该）重要的内容：

• ChildClass 是 BaseClass 的子类code>
• Factory 的用户不知道 BaseClass 将创建哪个子类。他只知道 BaseClass 已创建。
• Factory 没有自己的字段（除了 vtable 之外）。
• Factory::create() 是虚拟

Answer 1

不，事实并非如此。除了将内容强制转换回来之外，您不得使用 reinterpret_cast 的结果，但少数特殊情况除外：

ISO14882:2011(e) 5.2.10-7：

对象指针可以显式转换为对象指针
不同的类型。70 当“指向 T1 的指针”类型的纯右值 v 为
转换为“指向 cv T2 的指针”类型，如果 T1 和 T2 都是标准布局，则结果为 static_cast(static_cast(v))
类型（3.9）和 T2 的对齐要求不比
T1 的那些，或者任一类型无效。转换类型的纯右值
“指向 T1 的指针”到“指向 T2 的指针”类型（其中 T1 和 T2 是
对象类型并且没有 T2 的对齐要求
比 T1 更严格）并返回其原始类型，得出
原始指针值。任何其他此类指针的结果
转换未指定。

为了使可能的失败场景更清楚，请考虑多重继承，其中使用 static_cast 或 dynamic_cast 有时会调整指针值，但 reinterpret_cast 会不是。考虑在此示例中从 A* 转换为 B*：

struct A { int x; };
struct B { int y; };
struct C : A, B { };

要了解代码如何以不同的方式失败，请考虑大多数编译器如何实现虚拟函数调用机制：虚拟指针。您的 ChildClassFactory 实例将有一个虚拟指针，指向 ChildClassFactory 的虚拟表。现在，当您reinterpret_cast这个野兽时，它只是偶然“工作”，因为编译器需要一些虚拟指针，指向具有相同/相似布局的虚拟表。但它仍然会包含指向ChildCLassFactory虚拟函数的值，因此这些函数将被调用。所有这些都是在调用未定义行为之后很长一段时间发生的。就好像您开着车跳进一个大峡谷，并想着“嘿，一切都很好”，只是因为您还没有落地。

Answer 2

不，reinterpret_cast 只能用于低级代码，因为它不会执行正确的地址操作。使用 static_cast 或dynamic_cast 代替，

为什么你想要两个工厂，这不适合 GoF 工厂模式。

reinterpret_cast 不是这样做的方法，因为它很慢（运行时检查）并且不是一个很好的 OO 设计（您想要使用语言中的多态性构建）。

相反，在工厂类中创建生成所需类型的构造函数，然后让它们调用各个类型的构造函数。

工厂模式允许您忽略实现中的更改，这是一件好事，因为您可以最大限度地减少依赖关系，并且可以在将来更轻松地维护代码。

Answer 3

我已经勾选了上面的原始答案（以表彰他），但我想我应该总结一下我在这里学到的东西。

因此，基本问题是没有定义如何实现分派虚拟调用。

这意味着内部用于虚拟呼叫分派的数据结构（例如，vtable）可能在从​​同一模板创建的模板实例之间位兼容，也可能不兼容。