当涉及虚继承时，为什么不能使用static_cast进行向下转型？

Question

请提供需要翻译的完整内容，我才能开始翻译。

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 虚拟地继承了Base。从继承中删除virtual使代码有效。

这个规则存在的技术原因是什么？

- Eran

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我希望你对我的编辑感到满意。 - Lightness Races in Orbit

Answer 1

技术问题在于无法从 Base* 推算出 Base 子对象的起始位置与 Derived 对象的起始位置之间的偏移量。

在您的示例中，看起来没问题，因为只有一个类涉及到具有 Base 基类，所以继承被视为不相关。但编译器无法知道是否定义了另一个 class Derived2 : public virtual Base, public Derived {} 并将指向该对象的 Base* 进行转换。总的来说[*]，Derived2 中 Base 子对象和 Derived 子对象之间的偏移量可能与最派生类型为 Derived 的对象的完整 Derived 对象之间 Base 子对象和 Derived 子对象之间的偏移量不同，这正是由于 Base 是虚继承的缘故。

因此，无法确定完整对象的动态类型，并且根据该动态类型，给定的转换指针和所需结果之间的偏移量可能不同。因此该转换是不可能的。

您的 Base 没有虚函数，因此也没有 RTTI，因此肯定无法确定完整对象的类型。即使 Base 有 RTTI（我不知道为什么），该转换仍然被禁止，但我猜在这种情况下检查一下是否可以进行 dynamic_cast。

[*] 意思是，如果这个例子不能证明这一点，请继续添加更多的虚继承，直到找到一个偏移量不同的情况为止 ;-)

- Steve Jessop

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我头有点疼，所以我不能说这是一个完全清晰的答案，但在我看来它似乎是正确的。 :) - Lightness Races in Orbit

@Tomalak：是的，需要比我手头上有的时间更多的时间，而且还要在午餐时间去商店。我必须编写一些具有虚拟继承的类，并确定它们的布局以确定差异，而不是手摆那部分... - Steve Jessop

@Steve 我知道清楚地解释实际问题的唯一方法是在 Derived 和 Derived2 的情况下绘制（典型）布局图。而在 ASCII 中绘制这样的图表很痛苦。 - James Kanze

一般情况下，能进行 dynamic_cast 类型转换吗？ - Aaron McDaid

这个解释不够清晰，能否请您再详细说明一下？ - Hemant Bhargava

Answer 2

static_cast 只能在编译时期已知类之间的内存布局进行转换。而 dynamic_cast 可以在运行时检查信息，从而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。

虚拟继承将一些运行时信息放入每个对象中，指明了 Base 和 Derived 之间的内存布局是什么。是一个紧接着另一个还是有额外的空隙？由于 static_cast 无法访问这些信息，编译器会保守处理并给出编译错误。

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更详细地说：

考虑一个复杂的继承结构，在多重继承中因为有多个 Base 的副本而出现。最典型的情况是钻石继承:

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

在这种情况下，Bottom 由 Left 和 Right 组成，每个都有自己的 Base 副本。所有上述类的内存结构在编译时已知，可以毫无问题地使用 static_cast。

现在让我们考虑具有虚拟继承的 Base 的类似结构：

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

使用虚拟继承可以确保在创建Bottom时，它仅包含一个Base的实例，该实例在对象部分Left和Right之间是共享的。例如，Bottom对象的布局可以如下所示：

Base part
Left part
Right part
Bottom part

现在，考虑将Bottom转换为Right（这是有效的转换）。您获得一个Right指针，指向由两部分构成的对象：Base和Right之间有一个内存间隙，其中包含（现在不相关的）Left部分。关于此间隙的信息存储在Right的隐藏字段中（通常称为vbase_offset）。例如，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，则不会存在间隙。

因此，如果我只给您一个Right指针，您无法在编译时知道它是独立对象还是更大的对象（例如Bottom）的一部分。您需要检查运行时信息才能正确地从Right转换为Base。这就是为什么static_cast会失败而dynamic_cast则不会。

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关于dynamic_cast的说明：

虽然static_cast不使用对象的运行时信息，但dynamic_cast使用并且要求其存在！因此，后者只能用于那些包含至少一个虚函数（例如虚析构函数）的类。

- CygnusX1

Answer 3

从根本上讲，实际上没有真正的原因。但是，static_cast 的意图是非常便宜的，最多只涉及指针加或减一个常数。而且，没有办法以这种便宜的方式实现您想要的转换。基本上，由于在对象中 Derived 和 Base 的相对位置可能会随着另外的继承而改变，所以转换需要大量 dynamic_cast 的开销。委员会成员们可能认为，这会破坏使用 static_cast 而不是 dynamic_cast 的原因。

- James Kanze

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基本上，有_每个_理由。 - Lightness Races in Orbit

我不是投票者，但我赞同 Tomalak 的观点。在 static_cast 中的“static”表示对非空指针进行编译时转换。 - David Hammen

@David Hammen 这取决于您所说的“编译时”转换的含义。即使只涉及指针，static_cast 也肯定会涉及一些在运行时执行的代码。但正如我所说，代码相当有限：从指针中添加或减去一个常量，但不查找 vtable 中的内容。(我不确定为什么会被踩，因为我的回答完全正确。但是这里的投票似乎非常随机; 我认为它们没有任何意义。) - James Kanze

@JamesKanze的意思与您的大致相同。会有运行时代码，但其性质是受限的：检查空指针、添加在编译时确定的固定偏移量。静态转换在没有运行时类型信息（RTTI）的情况下也可以使用。通常情况下，动态转换不能使用（存在某些重叠；动态转换可用于向上转换）。 - David Hammen

@David 这符合我理解的委员会意图，尽管在当时并不存在 RTTI。大致上，对于非虚拟派生，生成的代码必须检查 null，然后加上或减去一个常量；对于虚拟派生，该常量被替换为 vtable 中的一个条目，这需要两次内存访问才能获取。在我看来，他们应该无论如何都这样做；两次内存访问并不是世界末日。但是委员会持有不同看法。 - James Kanze

Answer 4

考虑下面的函数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);
}

尽管不是真正的可移植，但此函数向我们展示了A和B的“偏移量”。由于编译器在继承情况下可以相当宽松地放置A子对象（也请记住，最派生的对象调用虚基类构造函数！），实际放置位置取决于对象的“真实”类型。但由于foo只获得B的引用，任何静态转换（最多应用一些偏移量的编译时工作）都注定会失败。

对于此内容，ideone.com（http://ideone.com/2qzQu）输出如下：

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

- PlasmaHH

Answer 5

static_cast 是编译时构造。它在编译时检查转换的有效性，如果转换无效，则给出一个编译错误。

virtual 是运行时现象。

两者不能同时使用。

C++03 标准 §5.2.9/2 和 §5.2.9/9 在这种情况下是相关的。

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），则类型为“指向 cv1 B 的指针”的 rvalue（其中 B 是类类型）可以转换为类型为“指向 cv2 D 的指针”的 rvalue（其中 D 是从 B 派生的类（第 10 条）），cv2 是与 cv1 相同或更大的 cv 限定符，并且 B 不是 D 的虚基类。空指针值（4.10）转换为目标类型的空指针值。如果类型为“指向 cv1 B 的指针”的 rvalue 指向实际上是类型为 D 的对象的子对象的 B，则所得到的指针指向类型为 D 的封闭对象。否则，转换的结果未定义。

- Alok Save

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这并不是真正的答案，因为你可以用 static_cast 进行向下转型，例如 struct B {}; struct D : B {}; int main() { B* x = new D; D* y = static_cast<D*>(x); }。 - Cat Plus Plus

@catPlusPlus：virtual 在哪里？ - Lightness Races in Orbit

@eran：“Derived的内存布局在编译时已知”-虽然如此还不够（请看我的答案）。只是因为你使用了static_cast到Derived并不意味着所讨论的对象的最终派生类型是Derived，因此它可能没有与Derived相同的布局。这就是虚继承的含义，在从Derived派生的类中，Base子对象不是Derived子对象的一部分。 - Steve Jessop

提出的答案是不正确的。static_cast 不会检查有效性；例如 static_cast<Derived*>( pBase )，如果 pBase 实际上并不具有类型 Derived，则行为是未定义的。但是 static_cast 可以编译通过。 - James Kanze

@James：不，static_cast 是 不合法 的。 - Lightness Races in Orbit

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。父类必须在子类之间共享，因此只能连续布置其中一个子类。这意味着，您不能保证能够将连续的内存区域分离出来以将其视为派生对象。

- RocketR