动态转型(dynamic_cast)是如何实现的？

Question

动态转型(dynamic_cast)是如何实现的？

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考虑这个简单的层次结构：

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

试图将 Base* p 向下转换为 Derived* 可以使用 dynamic_cast<Derived*>(p)。我曾经认为 dynamic_cast 是通过比较在 p 中的 vtable 指针和一个 Derived 对象中的指针来工作的。

但是如果我们从 Derived 派生另一个类呢？现在我们有：

class Derived2 : public Derived { };

在这种情况下：

Base* base = new Derived2;
Derived* derived = dynamic_cast<Derived*>(base);

尽管 Derived2 中的虚表指针与 Derived 中的虚表指针无关，我们仍然可以进行成功的向下转型。

它是如何实现的呢？dynamic_cast 如何知道 Derived2 是从 Derived 派生的（如果 Derived 是在另一个库中声明的怎么办）？

我想要了解有关此实现的具体细节（最好是在 GCC 中，其他也可以）。这个问题并不是这个问题的重复，后者没有指定实现方式。

- Avidan Borisov

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它在不同的编译器中可能会有不同的实现方式，为了确保你可以阅读它们的源代码。 - PlasmaHH

3个回答

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神奇。

开玩笑了。如果您真的想详细研究这个问题，实现它的代码在GCC的libsupc++中，它是libstdc++的一部分。

https://github.com/mirrors/gcc/tree/master/libstdc%2B%2B-v3/libsupc%2B%2B

具体来说，查找所有名称中带有tinfo或type_info的文件。

或者在此处阅读说明，那可能更容易理解：

https://itanium-cxx-abi.github.io/cxx-abi/abi.html#rtti

这详细介绍了编译器生成的类型信息格式，并应该为您提供线索，以便运行时支持找到正确的转换路径。

- Sebastian Redl

4

非常感谢！尤其需要关注的是第2.9.5节，其中包含了RTTI结构（又称为v-table）的描述以及继承层次结构的编码方式（当然还有描述算法本身的第2.9.7节）。 - Matthieu M.

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动态转换如何知道Derived2是否从Derived继承而来（如果Derived是在不同的库中声明的会怎样）？

动态转换本身并不知道任何信息，它是编译器知道这些事实。虚函数表不一定只包含指向虚函数的指针。

以下是我（天真地）的做法：我的虚函数表将包含指向某些类型信息（RTTI）的指针，由dynamic_cast使用。该类型的RTTI将包含指向基类的指针，因此可以向上遍历类层次结构。进行转换的伪代码如下：

Base* base = new Derived2; //base->vptr[RTTI_index] points to RTTI_of(Derived2)

//dynamic_cast<Derived*>(base):
RTTI* pRTTI = base->vptr[RTTI_index];
while (pRTTI && *pRTTI != RTTI_of(Derived))
{
  pRTTI = pRTTI->ParentRTTI;
}
if (pRTTI) return (Derived*)(base);
return NULL;

- Arne Mertz

4

的确有些幼稚，因为它没有考虑到多个基类、虚基类（这些并不好玩）和偏移适配。不过，基本思想是不错的：对象拓扑结构被编码在它的 V 表中。 - Matthieu M.

@MatthieuM。这就是我想要的：描述基本思路。我已经考虑了其他东西（除了虚拟基类，它们可以滚蛋！），但是我不想写大量无用的伪代码;-) - Arne Mertz

作为参考实现，我在libcxxrt中发现了一个令人惊讶地易读的实现，特别是与 Sebastian Redl 的链接结合起来，在Itanium ABI的2.9.5节中展示了RTTI结构的布局，尤其清晰。 - Matthieu M.

@MatthieuM。非常聪明。实际上，这个想法与此处介绍的类似，但使用多态递归来支持从__class_type_info派生的不同类型的类。感谢提供链接！ - Avidan Borisov

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可以查看英文原文，
原文链接

- R. Martinho Fernandes · Accepted Answer

如何使dynamic_cast知道Derived2是从Derived派生的（如果Derived在另一个库中声明怎么办）？

答案出乎意料地简单：通过保存这种知识，dynamic_cast可以知道。

当编译器生成代码时，它会保存类层次结构的数据到某种表中，以后dynamic_cast可以查找该表。该表可以附加到虚函数表指针上，以便dynamic_cast实现轻松查找。这些类的typeid所需的数据也可以存储在其中。

如果涉及到库，则通常需要将这些类型信息结构公开在库中，就像函数一样。例如，可能会收到类似于“未定义引用‘XXX’的vtable”的链接器错误消息(而且这些错误真的很烦人！)，与函数一样。