钻石继承中的向下转型问题

Question

为什么static_cast不能从虚基类进行向下转换？

struct A {};
struct B : public virtual A {};
struct C : public virtual A {};
struct D : public B, public C {};

int main()
{
  D d;
  A& a = d;
  D* p = static_cast<D*>(&a); //error
}  

g++ 4.5 说：

 error: cannot convert from base ‘A’ to derived type ‘D’ via virtual base ‘A’

解决方案是使用dynamic_cast？但是为什么呢？有什么理性依据吗？

--编辑--
下面有很好的答案。没有一个答案详细说明子对象和虚函数表如何被排序。以下文章为gcc提供了一些很好的例子：
http://www.phpcompiler.org/articles/virtualinheritance.html#Downcasting

- log0

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即使使用dynamic_cast，您的示例也无法正常工作，除非类A至少包含一个虚成员函数。 - Björn Pollex

@Space_C0wb0y 当然可以使用dynamic_cast，但是类必须被声明为虚拟类。 - log0

您还可以明确指定转换时应采取的路径：D *p = static_cast<D *>(static_cast<B *>(&a)); - Simon Richter

@Simon 不，这是同样的问题。如果A是虚基类，static_cast将无法工作。 - log0

真的。抱歉，我今天脑子不太灵光，感觉有点傻。 - Simon Richter

Answer 1

显而易见的答案是：因为标准规定了这样做。标准中静态转换 (static_cast) 的动机是它应该尽可能接近平凡——最多只需将指针与一个常量相加或相减。而针对虚基类的向下转换需要更复杂的代码：可能需要在虚表中添加额外的条目。(因为如果有进一步的派生，D 相对于 A 的位置可能会改变，所以需要比常量更复杂的东西。) 转换显然是可行的，因为当你在一个 A* 上调用一个虚函数，并且该函数在 D 中被实现时，编译器必须进行转换，但由于附加的开销被认为不适合 static_cast。 (假定在这种情况下使用 static_cast 的唯一原因是优化，因为通常首选 dynamic_cast。因此，当 static_cast 可能像 dynamic_cast 一样昂贵时，为什么要支持它呢。)

- James Kanze

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对我来说，这里没有动态信息的必要，因此如果有成本，成本应该是100％的编译时间。 - log0

你错了。'A'和'D'的相对位置取决于整个继承层次结构，正如其他回答者已经指出的那样。对于任何给定的最派生类，它是一个常数，但是对于给定的'A*'，编译器无法在不访问动态信息的情况下知道最派生类。 - James Kanze

这个标准背后的动机是，static_cast 应该尽可能接近于平凡——最多只是将一个常量加或减到指针上。而向虚基类进行下行转换则需要更复杂的代码。 - Nawaz

@Ugo 当然没问题。最终减法的结果在编译时是不知道的；它们取决于 d 指向对象的实际类型（当然，如果 d 是空指针，则无法进行运算）。如果我有一个 struct E : D, virtual A { int i; }，且 d 实际上指向 E，那么减法的结果将与指向 D 的情况不同。你可以试一下。 - James Kanze

我不同意动机是static_cast应该接近于平凡。这里并不是问题的平凡性，而是static_cast不依赖于任何运行时信息，并且要执行那个向下转换需要动态信息，因此需要使用dynamic_cast。 - David Rodríguez - dribeas

Answer 2

由于如果实际上对象的类型是E（派生自D），则A子对象相对于D子对象的位置可能与对象实际为D时不同。

如果您考虑从A到C的转换，则实际上已经发生了这种情况。当您分配C时，它必须包含A的实例，并且它位于某个特定的偏移量上。但是，当您分配D时，C子对象引用了随B一起提供的A实例，因此其偏移量不同。

- Jan Hudec

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我不太明白，请您能否再解释一下？ - Björn Pollex

对我来说没什么意义：在这个例子中没有类型'E'。您是不是想说“...实际上是类型D...”？ - C.J.

@Space_COwbOy，@C Johnson：问题在于虚继承意味着将会有一个A的子对象。如果您将struct E : virtual A, UnrelatedType, D {}添加到层次结构中，则可以获得指向E对象的D指针，但是从该指针到A的偏移量将取决于所指对象的类型。 - David Rodríguez - dribeas

@C Johnson：不，我是指从示例中派生出的其他类型。 - Jan Hudec

回答不错，但这个偏移量不能在编译时计算吗？ - log0