没有运行时类型信息的dynamic_cast

Question

我有一个如下所示的结构:

struct managed_object {
  virtual ~managed_object() { }
};

class trait1 {
  public: 
    virtual void myMethod() const = 0;
};

class trait2 {
  public: 
    virtual void myOtherMethod(int x) const = 0;
};

class MyType final : public managed_object, public trait1 {
 ...
};

class MyType2 final : public managed_object, public trait1, public trait2 {
 ...
};

class wrapper {
  private:
    managed_object* ptr;
  public:
    template<typename T> T* object() const { 
      return dynamic_cast<T*>(data.ptr); 
    }
};

基本上，我有一个managed_object基类，从中继承了多个类型。这些子类型中的每一个都可以从任意组合的特性中继承，并且它们是final，以确保它们不会在继承层次结构中拥有更深层次。

代码依靠RTTI工作，因此需要付出代价，但也使得将所有东西粘合在一起变得更加容易。

wrapper w = ...
trait* asTrait1 = w.object<trait1>;

由于managed_object和trait1类型之间没有直接关系，所以无法起作用。

在我的完整代码中，我已经确定所有的dynamic_cast都不会失败，因为我有额外的数据（不在示例中显示），提供了一种所需的RTTI，用于代码的其他部分。

鉴于此，是否有一种常见的模式来解决侧面-下转换问题，而不使用dynamic_cast和RTTI的需要，假设我已经知道一个MyType类继承自特定的trait？我正在尝试找到一个聪明的解决方案，因为它是代码的重要瓶颈。

- Jack

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在基类中，您可以添加数十个（数百个？）getter-caster，例如virtual Foo* AsFoo() { return nullptr; }，然后在Foo中放入Foo* AsFoo() override { return this; }。 - Eljay

你怎么知道代码有严重的瓶颈？你是否进行了没有RTTI的分析以验证它？ - marcinj

@marcinj：我无法在没有dynamic_cast的情况下对其进行分析，因为我没有解决方案，但是我已经对dynamic_cast所花费的时间进行了分析，所以我已经确定它是一个相当大的瓶颈。 - Jack

你是否考虑过用std::unique_ptr替换wrapper？这意味着你可以在那些（理想情况下很少的）需要确切派生类型的地方使用std::unique_ptr<MyType1>或std::unique_ptr<MyType2>，并且可以始终将其转换为std::unique_ptr<managed_object>以供通用代码使用，从而实现完全的类型安全。 - alter_igel

似乎奇妙地重复模板模式（CRTP）是正确的选择。 - seleciii44

Answer 1

在没有运行时类型信息的情况下，dynamic_cast是不能使用的，但有少数几种特殊情况除外。

虽然您可以使用static_cast或reinterpret_cast（请不要这样做），但如果操作错误，则需要由您自己承担责任——此时您将无法测试是否成功转换为nullptr。

- Jesper Juhl

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这就是关键，我根本不想使用dynamic_cast，如果我的问题没有表达清楚。我想找到一种不需要dynamic_cast和RTTI的解决方案。 - Jack

实际上，只要不需要运行时查找，就可以这样做。也就是说，将对象转换为基类或将对象转换为相同类的常量限定版本都可以。 - user7860670

static_cast 无法将 managed_object 强制转换为 trait1。这就是 OP 所说的“side-downcast 问题”。reinterpret_cast 可以，但之后修改对象是未定义行为，因为两种类型没有关联。 - Cássio Renan

Answer 2

首先，你必须使用 `static_cast`，`reinterpret_cast` 并不适合此情况。

但是为了使转换工作，你的程序需要知道它要去哪里。也就是说，它需要知道从 A 到 B 进行转换所需的路径。如果 A 和 B 在同一类层次结构中，那么这很简单：只需按照该类层次结构进行转换即可。

但是，如果你有以下情况：

struct C: A, B {};

这是 A 和 B 之间唯一的关系，static_cast 不知道 C 的信息（这是 RTTI 提供的信息），因此它无法执行转换，因为实际上 A 和 B 没有关联。

为了提供这条路径，您需要让程序以某种方式了解它。最简单的方法是使用模板化的 wrapper：

template<typename T>
class wrapper {
  managed_object* ptr;
public:
  template<typename Trait> Trait* object() const { 
    return static_cast<Trait*>(static_cast<T*>(ptr)); 
  }
};

然后：

MyType a;
wrapper<MyType> w{&a};
trait1* asTrait1 = w.object<trait1>(); // OK

请注意，我正告诉您如何进行转换，首先将其向下转换为派生类型，然后再“向上转换”为特征。

关于reinterpret_cast的说明

如果您正在从类转换为其基类（从MyType到trait1），dynamic_cast将返回派生对象中的基类子对象的指针或引用（static_cast也可以正确地进行此转换）。这意味着返回的指针的值实际上可能与提供的指针的值不同。reinterpret_cast永远不会对指针值进行此类更改。它只会将传递给它的任何内容重新解释为新类型，这显然是错误的。明显的结论是不要在类层次结构内使用reinterpret_cast执行转换。

- Cássio Renan