C++不安全转换解决方法

Question

C++不安全转换解决方法

6

在一个复杂的代码库中，我有一个指向非虚基类指针的数组（基类没有虚方法）。

考虑下面的代码：

#include <iostream>

using namespace std;

class TBase
{
    public:
        TBase(int i = 0) : m_iData(i) {}
        ~TBase(void) {}

        void Print(void) {std::cout << "Data = " << m_iData << std::endl;}

    protected:
        int     m_iData;
};

class TStaticDerived : public TBase
{
    public:
        TStaticDerived(void) : TBase(1) {}
        ~TStaticDerived(void)  {}
};

class TVirtualDerived : public TBase
{
    public:
        TVirtualDerived(void) : TBase(2) {}
        virtual ~TVirtualDerived(void) {} //will force the creation of a VTABLE
};

void PrintType(TBase *pBase)
{
    pBase->Print();
}

void PrintType(void** pArray, size_t iSize)
{
    for(size_t i = 0; i < iSize; i++)
    {
        TBase *pBase = (TBase*) pArray[i];
        pBase->Print();
    }
}


int main()
{
    TBase b(0);
    TStaticDerived sd;
    TVirtualDerived vd;

    PrintType(&b);
    PrintType(&sd);
    PrintType(&vd); //OK

    void* vArray[3];
    vArray[0] = &b;
    vArray[1] = &sd;
    vArray[2] = &vd; //VTABLE not taken into account -> pointer not OK
    PrintType(vArray, 3);

    return 0;
}

输出结果为（使用Mingw-w64 GCC 4.9.2在Win64上编译）：

Data = 0
Data = 1
Data = 2
Data = 0
Data = 1
Data = 4771632

失败的原因是每个TVirtualDerived实例都有一个指向虚拟表的指针，而TBase没有。因此，在没有先前类型信息的情况下（从void*到TBase*），向上转型为TBase不安全。

问题在于我一开始无法避免强制转换为void*。在基类中添加一个虚方法（例如析构函数）可以解决问题，但会增加内存成本（我想要避免这种情况）

背景：

我们正在一个非常受限制的环境（内存严重受限）中实现信号/槽系统。由于我们有数百万个可以发送或接收信号的对象，因此这种优化是有效的（当然，只有在它起作用时）

问题：

如何解决这个问题？到目前为止，我已经找到了以下解决方法：

1- 在TBase中添加一个虚方法。虽然可行，但并没有真正解决问题，只是避免了问题。而且效率低下（太多内存）

2- 代价是失去通用性，将数组转换为TBase*而不是void*。（可能是我下一步尝试的方案）

您看有其他解决方案吗？

- Seb

1

将对象先转换为 TBase*，再转换为 void*，这样能否满足您的需求？（请参见此处） - danielschemmel

1

只是为了明确：您的一些派生类具有虚方法，而其他一些则没有。而且TBase本身非常小，添加vtable指针会导致内存大小显着增加。正确吗？ - Dale Wilson

你考虑过使用模板吗？ - cup

@DaleWilson 大小并不重要。如果TBase里有1000个int，这仍然不起作用。 - Barry

@gha.st：在多重继承的情况下，这种方法是行不通的。请参见帖子中的更新。 - Seb

一个（只在显式使用取地址运算符的情况下有效）的技巧是在TBase中添加成员函数TBase* operator&() { return this; }（以及其const版本）。 - celtschk

3个回答

3

您需要考虑类在内存中的布局。TBase很容易，它只有一个成员，占用四个字节：

 _ _ _ _
|_|_|_|_|
 ^
 m_iData

TStaticDerived 是一样的。但是，TVirtualDerived 则完全不同。它现在具有 8 的对齐方式，并且必须在开头包含一个 vtable，其中包含一个析构函数条目：

 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _
|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|_|
 ^               ^
 vtable          m_iData

当你将vd转换为void*，然后再转换为TBase*时，你实际上重新解释了你的vtable的前四个字节（指向~TVirtualDerived()的偏移地址）作为m_iData。解决方法是首先进行static_cast到TBase*，这将返回一个指向vd中TBase的正确起始点的指针，然后再转换为void*：

vArray[2] = static_cast<TBase*>(&vd); // now, pointer is OK

- Barry

谢谢您的回答。我已经更新了问题，解释了为什么我们需要使用这个系统。在多重继承的情况下，static_cast无法工作。 - Seb

@Seb 我已经还原了你的编辑，因为那是一堵没有实质性改变问题精神的文字墙。而且 static_cast 绝对可以处理多重继承 - 问题很可能在于你在 void* 上来回转换是错误的。 - Barry

0

忘记虚拟多态。老派的方法才是王道。

在每个TBase中添加一个字节以指示类型，并在打印方法中使用switch语句来“做正确的事情”。（相比虚拟方法方法，这样可以为每个TBase节省sizeof(pointer)-1个字节。）

如果添加一个字节仍然太昂贵，请考虑使用C/C++位域（还有人记得吗（微笑））将类型字段压缩到其他未填满可用空间的字段中（例如，具有最大值2^24-1的无符号整数）

你的代码会很丑陋，没错，但你的内存限制也很丑陋。能工作的丑陋代码总比失败的漂亮代码好。

- Dale Wilson

谢谢您的回答。我们已经尝试了这种方法，并且对大多数类都有效。但是当我们想从TBase和另一个具有虚拟方法的类（来自另一个库）派生时，就会出现问题。这就是为什么我发布这个问题的原因。我们试图编写高效的代码，但它已经非常丑陋！（但有效！）丑陋的问题在于维护成本很高（需要更多时间）。当我们需要在6个月后扩展/修补代码时，我们会后悔的。 - Seb

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- Serge Ballesta · Accepted Answer

问题出在你的强制类型转换上。由于你使用了一个通过void进行的C类型转换，这等同于reinterpret_cast，当子类化时可能不太好。在第一部分中，类型对编译器可见，你的强制类型转换相当于static_cast。

但我不明白为什么你说首先“不能避免转换为void *”。因为PrintType内部将把void *转换为TBase *，你也可以传递一个TBase **。在那种情况下它会正常工作：

void PrintType(TBase** pArray, size_t iSize)
{
    for(size_t i = 0; i < iSize; i++)
    {
        TBase *pBase = pArray[i];
        pBase->Print();
    }
}
...
    TBase* vArray[3];
    vArray[0] = &b;
    vArray[1] = &sd;
    vArray[2] = &vd; //VTABLE not taken into account -> pointer not OK
    PrintType(vArray, 3);

如果您想使用 void ** 数组，那么您必须明确确保在其中放置的只有 TBase * 而不是子类指针：

或者，您可以使用其他方法来避免使用 void ** 数组。

void* vArray[3];
vArray[0] = &b;
vArray[1] = static_cast<TBase *>(&sd);
vArray[2] = static_cast<TBase *>(&vd);
PrintType(vArray, 3);

这两种方法都能正确输出:

Data = 0
Data = 1
Data = 2
Data = 0
Data = 1
Data = 2