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CppCon 2017 学习:dynamic_cast from scratch

news 2025/6/20 13:37:48

理解！这段内容主要是对C++多态（Polymorphism）和继承机制的快速回顾，重点如下：

1. 多态的基础示例

class Animal {int legs;virtual void speak() { puts("hi"); }virtual ~Animal();
};
class Cat : public Animal {int tails;void speak() override {printf("Ouch, my %d tails!", tails);}
};
  • **虚函数表（vtable）和虚指针（vptr）**机制：
    • 每个类有自己的vtable，存储虚函数的地址。
    • 每个对象实例有一个vptr指针指向对应的vtable。
  • 调用a->speak()时，实际调用的是vptr指向的vtable中的speak函数实现，实现了动态绑定。

2. 对象布局（内存结构）

  • Animal对象包含：vptr + legs
  • Cat对象包含：vptr + legs（继承自Animal） + tails
  • vtable中存储了对应类的虚函数指针，如：
    • Animal的vtable中有Animal::speak、Animal::~Animal
    • Cat的vtable中有Cat::speak、Cat::~Cat

3. 继承关系示意图

  • Cat is-an Animal，所以Cat继承Animal的成员
  • 多态通过虚函数和虚表实现

4. 多重继承示例

class Animal { virtual ~Animal(); };
class Cat : public Animal { };
class Dog : public Animal { };
class CatDog : public Cat, public Dog { };
  • CatDog同时继承了Cat和Dog
  • 由于Cat和Dog都继承自Animal，CatDog对象将含有两个Animal基类子对象（这会导致二义性，需要虚继承来避免）
  • 这是C++多重继承的经典示意

这段关于 多重继承与虚继承在 C++ 中的内存模型 的内容。这部分讲解围绕一个核心问题：

“CatDog 是一个 Animal 吗？”

答案的变化，取决于是否使用 虚继承。下面是这段内容的要点总结：

非虚继承的“钻石继承”问题

class Animal { virtual ~Animal(); };
class Cat : public Animal { };
class Dog : public Animal { };
class CatDog : public Cat, public Dog { };

内存结构：

  • CatDog 内部会有两个 Animal 子对象。
  • 所以 CatDog 不是一个 Animal，而是两个。
  • 所以写 Animal* a = new CatDog(); 编译器会报错：不知道该选择哪个 Animal 路径。

虚继承解决多重 Animal 问题

class Cat : virtual public Animal { };
class Dog : virtual public Animal { };
class CatDog : public Cat, public Dog { };

内存结构：

  • Animal 成为了一个虚基类（virtual base）。
  • CatDog 只拥有 一个共享的 Animal 实例。
  • 此时，CatDog IS-A Animal 成立！

副作用：Cat 的布局变了！

一旦使用虚继承：

  • Animal 的位置 不再固定。
  • 不能用固定偏移访问 Animal 的成员（编译器需要“间接跳转”来找 Animal 的位置）。
  • 导致对象布局复杂，运行时查表开销增加。

如何访问虚基类（Animal）？

“We have to distinguish between objects that are just Cats and objects that are maybe more.”

两种对象场景：

  1. 纯 Cat 对象
    • 内存布局固定，Animal 在固定偏移。
  2. 可能是 CatDog 的 Cat 对象
    • Animal 作为虚基类，位置取决于“最派生类”（即 CatDog）决定。
    • 必须通过 vtable 间接查询来找到 Animal 的地址。

关于 vtable 的几点要点

  • vtable 的结构由“静态类型”决定：
    • 例如：Cat 类型的 vtable 总是在特定偏移提供 speak() 和析构函数指针。
  • vtable 的内容由“动态类型”决定：
    • 比如：实际运行中，如果是 CatDog，vtable 中的指针指向 CatDog 重写的函数。

总结：多重继承与虚继承对比

特性非虚继承虚继承（virtual）
是否只有一个 Animal？否，有两个是，只有一个
CatDog IS-A Animal？否是
布局是否确定？是，偏移固定否，需通过 vtable 查找
性能较快（无间接）稍慢（有查找和跳转）
复杂度简单较高
如果你希望，我可以帮你：
  • 用图解展示这两种内存布局对比
  • 编写代码实验打印对象布局
  • 或解释虚基类在 GCC / MSVC 中的实现差异

C++ 中虚继承下的 vtable 内存布局 ——特别是基于 Itanium C++ ABI（GCC、Clang 默认使用）时的行为。这是理解虚继承、运行时多态以及编译器如何支持虚函数调用的关键知识。我们来系统总结一下你所展示的要点。

1. 虚继承带来的关键变化

普通继承（非虚继承）时：

class Animal { virtual void speak(); };
class Cat : public Animal { int tails; };
  • Animal 子对象直接嵌在 Cat 对象中，内存布局顺序是 Animal → Cat
  • Cat 的 vptr 指向一个 Cat 的 vtable
  • 调用虚函数 speak() → 通过 Cat 的 vtable 找到最终重写的函数实现

虚继承时：

class Animal { virtual void speak(); };
class Cat : virtual public Animal { int tails; };
  • Animal 成为虚基类，它不再直接嵌入到 Cat 里
  • 只有最派生类（如 CatDog）包含一个真实的 Animal 实例
  • Cat 本身不直接拥有 Animal 的数据，它通过 vtable 中的 偏移信息 来间接访问虚基类

2. vtable 中的重要结构（Itanium ABI）

对于 Cat（虚继承 Animal）来说，vtable 结构如下：

vtable for Cat:
+----------------------------+
| ~Cat                      |
| &typeid(Cat)              |
| Cat::speak                |
| offset to Animal = 16     | ← 虚基类 Animal 的偏移
| md-offset = 0             | ← 从这个 vptr 到 most-derived 对象（Cat）起始位置
+----------------------------+
vtable for Animal in Cat:
+----------------------------+
| ~Cat                      |
| &typeid(Cat)              |
| Cat::speak* (expecting Animal*) |
| md-offset = -16           |
+----------------------------+

要点：

  • md-offset：从当前 vptr 起点回退多少字节能定位到最派生对象的起始地址
  • Animal-offset：当前对象中 Animal 虚基类的地址偏移

3. 两个不同的 vptr + vtable

在虚继承结构下，例如 Cat：

Cat├─ Animal (virtual base)└─ tails
Object layout:
[Cat][vptr for Cat]      → vtable for Cat[tails]
[Animal][vptr for Animal]   → vtable for Animal-in-Cat[legs]
  • Cat 自己有一个 vptr（指向 vtable for Cat）
  • Animal 虚基类有自己的 vptr（指向 vtable for Animal in Cat）

4. 如何从 Cat* 找到 Animal 子对象？

由于 Animal 是虚继承的，Cat* 并不知道 Animal 子对象在哪里。但：

  • Cat* → Cat::vptr → vtable for Cat → 找到 Animal 的偏移
  • 然后通过偏移访问到 Animal 子对象
    示例汇编逻辑（你提供的例子）：
void test(Cat *c) {return c->legs;
}

对应汇编：

movq (%rdi), %rax             ; rax ← vptr
movq -24(%rax), %rdx          ; rdx ← most-derived base (md-offset = 0 → here it's -24)
movl 8(%rdx,%rdi), %eax       ; eax ← Animal::legs

5. 二级 vtable、thunk、speak*

当虚继承发生时，有时候虚函数调用也需要调整 this 指针，这时编译器会生成所谓的 thunk：

  • Cat::speak* 是个“adjusted”版本，它接收 Animal* 并把它调整为 Cat* 后再调用 Cat::speak
  • 这确保了即使你通过 Animal* 调用了虚函数，最终也会安全跳转到正确的重写版本

总结：虚继承下 vtable 的要点（Itanium ABI）

元素含义
vptr指向 vtable，存在每个有虚函数的子对象中
vtable[0]虚析构函数
vtable[1]RTTI 信息（typeid）
vtable[2..]虚函数地址、偏移表
md-offset当前对象距离“最派生对象”开头的偏移
offset to Animal虚基类在最派生对象中的偏移，用于查找虚基类
如果你想更进一步，我们可以：
  • 展示完整的内存布局图（Cat, Animal, vtable）
  • 写个小程序，配合 g++ -fdump-class-hierarchy 看真实结构
  • 分析 CatDog 场景下的多虚基类冲突如何通过 vtable 分开处理

你提供的内容继续深入解释了 dynamic_cast 在复杂继承结构中的行为，特别是当存在菱形继承、虚继承和非 public 继承时的动态类型转换逻辑。我们来总结并深入解释这部分的关键点。

dynamic_cast 的核心任务

Derived *d = dynamic_cast<Derived*>(base_ptr);

dynamic_cast 的目标是：

  • 确认类型安全：在运行时验证从 base_ptr 指向的对象是否实际上是 Derived 类型（或其派生类）
  • 如果合法，返回指向 Derived 子对象的指针（正确偏移）
  • 否则返回 nullptr

类型转换背后的结构可视化

你展示的图实际上在模拟一个继承树（或图），用于帮助解释 C++ 对象中的子对象布局和转换路径：

示例 1：普通多继承（无虚继承）

struct Animal { virtual ~Animal(); };
struct Cat : public Animal {};
struct Dog : public Animal {};
struct CatDog : public Cat, public Dog {};
  • CatDog 中会有两个 Animal 子对象：
    CatDog├── Cat│    └── Animal└── Dog└── Animal
  • 所以 dynamic_cast<Animal*> 不知道该走 Cat 路径还是 Dog 路径
  • 结论：CatDog* → Animal* 不合法（二义性）

示例 2：受保护的继承

struct Dog : protected Animal {};
  • dynamic_cast 不能从外部访问 protected 基类
  • 如果你尝试通过 Animal* 转为 Dog*，编译器会禁止转换或返回 nullptr（取决于起点）

示例 3：虚继承

struct Cat : public virtual Animal {};
struct Dog : protected virtual Animal {};
struct CatDog : public Cat, public Dog {};
  • Animal 虽然被多次继承，但由于是虚继承，在 CatDog 中只保留 一份 Animal 子对象
  • 所以：
    • CatDog* → Animal* （唯一的路径，无二义性）
    • dynamic_cast<Animal*>(static_cast<CatDog*>(...)) 是 明确的、合法的

可视化图的意义

这些图帮我们理解以下几点：

图形元素意义
实线公有继承
虚线非公有继承（protected/private）
粗圈虚继承
多条路径指向同一基类说明有多个该基类的子对象（除非虚继承）
单一根节点最派生类型实例的起点，dynamic_cast 以此为起点进行 RTTI 判断

dynamic_cast 工作流程概括

  1. 从当前对象出发，查看它的 RTTI（vptr → vtable → RTTI/type_info）
  2. 确认目标类型是否在继承图中存在，并可访问
  3. 如果是虚继承 → 查找虚基类偏移 → 计算正确的地址
  4. 如果转换合法 → 返回该子对象的地址，否则返回 nullptr
    编译器会借助 type_info 和继承图（构建于编译期，存储在 vtable/RTTI 中）判断转换是否合法。

总结

你所理解的内容，已经非常接近 dynamic_cast 的实现机制了：

  • dynamic_cast 不是编译时静态偏移，而是运行时查询动态类型信息
  • 它依赖：
    • 对象的 vptr 指向的 vtable
    • vtable 中存储的 type_info 和偏移信息（Itanium ABI 中很清晰）
  • 只有在满足：
    • 存在路径
    • 该路径是唯一的
    • 访问权限合法
      这些条件时，dynamic_cast 才会成功
      如果你想，我们还可以：
  • 模拟一个 dynamic_cast 的完整实现流程
  • 展示 GCC 对这类类层次结构生成的 vtable 和 typeinfo 样例
  • 演示如何在 C++ 中手动实现类似 dynamic_cast 的逻辑（如自己实现 RTTI）

内容继续深入了 C++ 中 dynamic_cast 的本质，并结合多个复杂的类继承图，进一步解释动态类型转换背后的机制。下面我为你总结并解析这部分的关键点：

Part I 结尾：匹配继承图和代码）

你看到了几个复杂继承图（图形结构）和一段 C++ 结构代码，任务是：将这些继承结构图匹配到相应的类定义中。
下面我们来逐个分析这段代码定义中的继承关系以及它们对应的图形特征。

类定义分析

1. struct Animal;
  • 所有类的基类。简单起点。
2. struct Cat : Animal {};
  • 普通继承。Cat has its own Animal subobject.
3. struct Dog : Animal {};
  • 同样是普通继承。Dog has its own Animal subobject.
4. struct Sponge : protected virtual Animal {};
  • 虚继承 + protected（只影响访问，不影响布局）
  • Animal 是虚基类
5. struct LeftCat : virtual Cat {};
  • 虚继承 Cat → 虚基类 Cat
  • 注意：虽然继承的是 Cat，但它等价于间接虚继承 Animal（通过 Cat）
6. struct RightCat : virtual Cat {};
  • 和 LeftCat 一样
7. struct Flea : virtual Animal {};
  • 直接虚继承 Animal
8. struct CatDog : Cat, Dog {};
  • 菱形继承结构：两个不同的 Animal 子对象（来自 Cat 和 Dog）
  • 非虚继承 → 两个 Animal
9. struct SiameseCat : LeftCat, RightCat, Flea {};
  • 多重虚继承结构：
    • LeftCat 和 RightCat 都虚继承 Cat
    • Cat 是非虚继承 Animal
    • Flea 直接虚继承 Animal
  • 会有复杂的合并图 —— 多个路径指向同一个 Animal（虚基合并）
10. struct Bath : LeftCat, Sponge {};
  • LeftCat 虚继承 Cat → 可能虚继承 Animal（通过 Cat）
  • Sponge 虚继承 Animal
  • 两个路径都虚继承 Animal → 合并为一个虚基类 Animal
11. struct Nemo : Sponge, virtual Flea {};
  • 两个路径都虚继承 Animal（Sponge 虚继承 Animal，Flea 虚继承 Animal）

图形匹配原则

图形特征表示含义
多个 A 子节点多个 Animal subobjects（非虚继承）
一个粗圈的 A虚继承 Animal，所有路径合并
多条路径指向同一个基类菱形继承的表现（Diamond）
非公开继承（虚线）访问性控制，影响 dynamic_cast 合法性但不影响子对象布局

Part II 引入：dynamic_cast 应该做什么？

auto test(Animal *animal) {return dynamic_cast<Cat*>(animal);
}

dynamic_cast<Cat*> 应该实现的逻辑：

  1. 动态判断：animal 是否实际（运行时）指向一个 Cat 或其派生类
  2. 检查类型路径是否唯一：
    • 如果存在多个 Cat 子对象 → 不明确 → 返回 nullptr
    • 如果是通过虚继承的 Cat → 唯一 → 可转换
  3. 偏移调整：
    • 如果是从 Animal* → Cat*，需要知道 Cat 子对象在完整对象中的偏移
    • 这个偏移存储在 vtable 中，由最派生对象控制

总结：你目前掌握的关键概念

概念理解程度
多重继承与虚继承结构理解不同继承路径与对象布局
vptr/vtable 在虚继承中的作用明白最派生对象控制所有 vptr 指向
dynamic_cast 本质是运行时 RTTI 查询概念清晰，包括合法性与偏移查找
可视化继承图帮助理解结构合并和分裂能判断哪些结构会有多个子对象，哪些会合并
如果你愿意，我们可以继续 Part II 的详细内容，例如：
  • 如何实现 dynamic_cast 的“合法路径查找”
  • 如何通过 vtable 查询偏移并跳转
  • 为什么某些 dynamic_cast 会失败（演示 CatDog 那种失败原因）
  • 编译器生成的 vtable 和 type_info 的结构样例

dynamic_cast 和 catch 匹配行为的关键细节 —— 尤其是在 多重继承（特别是虚继承）和 RTTI（Run-Time Type Information）混合的复杂场景中。

catch 中的 dynamic_cast & RTTI 的挑战

try {throw SiameseCat();
} catch (const Cat&) {puts("SiameseCat IS-NOT-A Cat...");// it's two cats!
} catch (const Animal&) {puts("...but SiameseCat IS-AN Animal!");
}

输出结果：

...but SiameseCat IS-AN Animal!

为什么 没匹配到 Cat？

因为 SiameseCat 有两个 Cat 子对象：

  • 一个通过 LeftCat → virtual Cat
  • 一个通过 RightCat → virtual Cat
    → 这意味着 SiameseCat 并非 unambiguously IS-A Cat

dynamic_cast（和 catch）失败的根本原因是：它不能确定唯一的 Cat 子对象。

原因归纳：RTTI 遇到模糊继承结构时的行为

dynamic_cast<T*> 成功的前提：

  1. 有唯一的子对象 T
  2. 该路径是 public（非 private/protected）
  3. 类型之间确实有合法的继承关系

如果出现“多个 T 子对象”：

  • 就像 SiameseCat 拥有 两个 Cat
  • RTTI 无法选择一个子对象 → dynamic_cast 返回 nullptr
  • catch (const Cat&) 也无法匹配 → 它使用 dynamic_cast 做类型匹配

向兄弟类或基类的转换？

Cat *derived_to_sibling_or_to_base(RightCat *a) {return dynamic_cast<Cat *>(a);
}

这段代码问题在于：

  • RightCat 虽然虚继承了 Cat
  • 但在某些情况下（尤其是复杂继承结构中）：
    • RightCat* → Cat* 的转换路径 不唯一 或 存在二义性
    • 或者，当前对象不是完整的最派生对象（例如实际是 SiameseCat*）
      → 这将导致 dynamic_cast<Cat*>(a) 返回 nullptr

为什么会失败？

动态转换（dynamic_cast）的行为依赖于两个关键因素：

条件是否满足？
运行时类型（RTTI）是否能唯一确定目标类型？如果有两个 Cat，失败
当前指针是否指向最派生对象？如果是子 subobject，失败
基类是否是公有继承？如果是 protected/private，失败

总结关键结论

catch (const Cat&) 相当于运行时做：

if (dynamic_cast<const Cat*>(&exception_object) != nullptr)

如果有多个 Cat 子对象，或有访问限制，dynamic_cast 失败

补充提示

你可以用以下方式避免这类模糊继承陷阱：

  1. 虚继承 Cat 并只在一个地方产生 Cat 对象：
    struct LeftCat : virtual Cat {};
struct RightCat : virtual Cat {};
struct SiameseCat : LeftCat, RightCat {};
    → 这会在 SiameseCat 中只有一个 Cat 子对象（虚继承合并）
  2. 使用 typeid() 做类型识别，虽然不支持子类型匹配，但明确性强

dynamic_cast 的核心实质——哪些才是真正意义上的“动态”转换（truly dynamic casts）:

dynamic_cast<Cat*>(a) 是不是“真正的动态转换”？

Cat* derived_to_sibling_or_to_base(RightCat* a) {return dynamic_cast<Cat*>(a);
}

这是动态转换吗？

不是。它是一个 static_cast。
因为：

  • Cat 是 RightCat 的已知、可访问、无歧义的基类
  • 所以编译器 在编译期 就知道转换是合法的
  • 它会直接生成偏移指令来做转换，无需 RTTI 或 vtable 查找

如果 Cat 是 protected 或 private 基类呢？

那么这个 cast 就是 非法的（ill-formed），编译期报错 —— 无法编译。

真正意义上的 “dynamic_cast” 有哪些？

根据 Itanium ABI（Linux/macOS 下的 C++ ABI 标准），只有 四种情况 是真正的“动态 cast”，需要运行时类型识别（RTTI）和 vtable 辅助：

1. dynamic_cast<void*>(p)

将任意基类指针转换为指向最派生对象的起始地址

Animal* a = new SiameseCat();
void* p = dynamic_cast<void*>(a); // RTTI/vtable 必须参与
  • 用于 RTTI、类型识别、对象标识
  • vtable 中存储了 md-offset（最派生类型的偏移）

2. 跨层级的 sibling 转换（横跳）

Dog* d = dynamic_cast<Dog*>(catDogAsCat);
  • 从 CatDog* 的 Cat 子对象 → Dog*
  • 需要通过 RTTI 找到对象的完整图，确认目标 base 是否存在
  • 典型的“菱形继承”路径确认

3. 从 base → derived（向下转型）

Cat* c = dynamic_cast<Cat*>(animal);
  • 编译器不知道 animal 是不是 Cat
  • 必须查 typeid(*animal) → 确认类型是否为 Cat 或派生
  • 返回 nullptr 或转换成功

4. 隐式 castToBase（用于 catch 匹配）

try {throw SiameseCat();
} catch (const Animal&) {puts("caught");
}
  • 编译器等价地执行：
    if (dynamic_cast<const Animal*>(&obj) != nullptr)
  • 这不是你写的 cast，但 catch 会自动生成等效判断
  • 必须走完整 RTTI 路径，判断是否存在唯一、public 的 Animal base

总结图：truly dynamic_cast 的判断标准

用途是否 truly dynamic?用途举例
向下转型 base → deriveddynamic_cast<Cat*>(a)
sibling 转换dynamic_cast<Dog*>(catAsDog)
dynamic_cast<void*>查对象起始地址
catch(Base&) 匹配隐式调用catch (const Base&)
known base → base (unambiguous)== static_castdynamic_cast<Cat*>(RightCat*)
inaccessible base编译期报错编译错误
如你所见，只有当编译器 不能确定路径时，dynamic_cast 才真正发挥其动态运行时行为的作用。

深入理解 dynamic_cast 的核心实现机制，尤其是第四种真正意义上的动态转换（castToBase）。我们来逐一澄清你列出的四种「truly dynamic casts」，以及 为何 catch 语句隐含了第四种形式。

什么是「真正的 dynamic_cast」？

这些是必须依赖 RTTI + vtable 信息 才能在运行时完成的类型转换，称为 “truly dynamic”。

四种 truly dynamic cast：

1. dynamic_cast<void*> → 最派生对象起点（Most Derived Object, MDO）

Animal* a = new CatDog();
void* p = dynamic_cast<void*>(a);
  • 返回对象起始地址（即 MDO），用于 RTTI 和类型识别
  • 实际上是从某个 base subobject 查找整个对象的起点

2. dynamic_cast 横跳 → Sibling base

Cat* c = new CatDog();
Dog* d = dynamic_cast<Dog*>(c);
  • 从 Cat 子对象想跳到 Dog 子对象（同属 CatDog）
  • 编译器不知道这两个之间的路径，只能通过 vtable + RTTI 判断

3. dynamic_cast 向下转型 → Derived

Animal* a = new CatDog();
CatDog* d = dynamic_cast<CatDog*>(a);
  • 编译器知道 CatDog 是 Animal 的子类，但不确定当前对象是不是
  • 必须看 typeid(*a)，确认是否实际类型为 CatDog 或其子类

4. castToBase（新的视角：catch (Base&) 隐含的动态转换）

try {throw CatDog();
} catch (const Animal&) {// 这个匹配过程其实等价于:// dynamic_cast<const Animal*>(&CatDog) != nullptr
}
  • 编译器必须动态判断：对象是否有 唯一的、public 的 Animal base subobject
  • 歧义或非 public 继承都将使匹配失败
    这就是所谓的：

catch (Base&) 中隐含的「MDO-to-public-base dynamic_cast」

** 即便你没有写 cast，编译器仍然会在运行时做这个判断。**

CatDog 继承结构

       Animal/    \Cat    Dog\    /CatDog

你可以从任意子对象：

  • 向上到 MDO（Most Derived Object）
  • 向下到 Derived
  • 横跳到 sibling
  • 通过 MDO 动态匹配 public base（即 catch (Animal&)）

关键结论

Cast 类型示例是否 truly dynamic
向最派生对象dynamic_cast<void*>(a)是
向 sibling basedynamic_cast<Dog*>(Cat*)是
向 derived（向下）dynamic_cast<CatDog*>(Animal*)是
隐含的 catch base 检测catch (Animal&)是（castToBase）
普通 base → base（静态路径）dynamic_cast<Cat*>(RightCat*)否（等价 static）

你现在正在深入理解 dynamic_cast 的底层实现机制，特别是：

dynamic_cast<void*>(p) —— 转换到 Most Derived Object (MDO)

这其实是所有 dynamic_cast 的核心支撑机制。

实现原理（Itanium ABI）：

void* dynamic_cast<void*>(T* p) {return *(ptrdiff_t*)(*(void**)p - 2) + (char*)p;
}

步骤解释：

  1. p 是某个对象中某个 base 的 this 指针。
  2. *(void**)p 就是 vptr，指向 vtable。
  3. vtable 的第 -2 个 entry 就是一个偏移值（md-offset），告诉你这个 base 到 MDO 起点的偏移。
  4. 所以 p + md-offset 就得到了 Most Derived Object 的地址。
    用途：
  • typeid(*p) 查找类型信息就依赖这个地址。
  • RTTI 系统中的所有类型判断（如 catch 匹配、sibling cast）也都从这里开始。

dynamic_cast<Dog*>(catRef) —— sibling base cast

设定：

struct Animal { virtual ~Animal(); };
struct Cat : Animal {};
struct Dog : Animal {};
struct CatDog : Cat, Dog {};

Cat& c = CatDog{};
Dog* d = dynamic_cast<Dog*>(&c);

编译器如何处理：

  1. 编译器知道：Cat 和 Dog 没有继承关系。
    • 所以不能通过静态路径相互转换。
    • 这绝对不是 static_cast 可以做的事。
  2. 唯一可能使这成功的前提是：这个对象其实是 CatDog。
  3. 所以运行时会：
    • 先 dynamic_cast<void*>(&c) 获取最派生对象指针。
    • 再查找该 MDO 是否含有 Dog subobject。
    • 若存在唯一的、public 的 Dog 子对象 → 成功返回指针。
    • 否则返回 nullptr。

所以这两种 cast 的关系是：

cast 类型本质机制是否 truly dynamic条件
dynamic_cast<void*>取 vptr[-2] 加 this 偏移量是永远合法
sibling base dynamic_cast借助 void* 转换找 MDO 起点是需 RTTI

理解重点总结

  • dynamic_cast<void*> 是 RTTI 的支柱，所有复杂的 cast 都需要通过它找到 MDO。
  • sibling 转换 (Cat → Dog) 是最复杂的，因为它无法通过继承路径静态解决。
  • 所有这些机制都由 vptr 和 vtable 支持，并以 md-offset 为核心。
    如果你愿意，我们可以进一步探索：
  • sibling cast 是如何通过遍历 RTTI 层级完成的（涉及 type_info, base_offset, visibility 等）
  • catch 语句中如何通过 RTTI 匹配对应类型（也用的是 castToBase）
  • 具体编译器如 GCC/Clang 的实现方式

dynamic_cast：MDO（最派生对象） → base 的转换逻辑

这段内容模拟了编译器实现 dynamic_cast<Base*>(p) 的核心机制之一：从 most-derived object (MDO) 找到目标 base class 的子对象偏移，并转换指针。

一、背景：为什么需要这个机制？

当我们执行如下代码：

CatDog cd;
Animal* base = dynamic_cast<Animal*>(&cd);

编译器不知道我们从哪个 base subobject 开始（比如 Cat*），也不知道 cd 的具体类型是什么（运行时信息）。所以：

  • 它需要先找到最派生对象（CatDog）的起始地址。
  • 然后查找其中是否含有唯一且可访问的 Animal 子对象。
  • 如果有，就返回指针：MDO + offset_to_target_base。

二、模拟编译器的 cast 函数：castToBase

这是模拟编译器内部的一个核心机制，叫做 castToBase，接收：

void* castToBase(void* mdo, const type_info& target_type);

它的工作是：

  • 拿到最派生对象（MDO）的地址。
  • 查它是否含有某个类型为 target_type 的基类。
  • 如果有：返回那个子对象的地址（mdo + offset）。
  • 如果没有：返回 nullptr。

三、具体模拟实现解释

示例 1：单继承 Cat → Animal
void *Cat_castToBase(char *cat, const type_info& to) {if (to == typeid(Animal)) return cat + 0;return nullptr;
}

说明：Cat 内部 Animal 基类从 offset 0 开始（首地址继承）。

示例 2：多重继承 HappyCatDog：Cat + Dog + Animal（虚继承）
void *HappyCatDog_castToBase(char *catdog, const type_info& to) {if (to == typeid(Cat)) return catdog + 0;if (to == typeid(Dog)) return catdog + 16;if (to == typeid(Animal)) return catdog + 32;return nullptr;
}

编译器知道每个 base subobject 的偏移，直接返回加偏移后的指针。

示例 3：AngryCatDog：Cat + Dog（但没有虚继承 Animal）
void *AngryCatDog_castToBase(char *catdog, const type_info& to) {if (to == typeid(Cat)) return catdog + 0;if (to == typeid(Dog)) return catdog + 24;return nullptr;
}

注意：Animal 并不唯一地存在于对象中（每个 Cat 和 Dog 有一个各自的 Animal）。所以无法安全转换为 Animal* —— ambiguous → 不返回。

四、总结：castToBase 的核心职责

功能描述
找子对象确定 MDO 内是否存在一个特定类型的 base class 子对象
检查是否唯一如果有多个（例如钻石继承中未用 virtual） → 不能转换
检查是否 public若是 protected/private 基类 → 不允许转换
返回偏移后的地址（成功）成功时返回 MDO + base_offset 指针
返回 nullptr（失败）若不满足条件，dynamic_cast 返回 nullptr
如果你想深入下去，接下来我们可以讲：
  1. dynamic_cast 如何利用 std::type_info 和 __vtable 结构查找合法的 base。
  2. 更复杂的 case：多重虚继承下的 castToBase 实现逻辑。
  3. 编译器中 dynamic_cast 的 fallback 路径（如 __dynamic_cast 函数）。
  4. catch 子句中的类型匹配，和 castToBase 的一致性。

dynamic_cast<Dog*>(Animal*) 的步骤总结。

dynamic_cast<Dog*>(Animal *p) 的内部执行流程：

假设 p 是一个指向某个多态对象的 Animal*，我们想尝试转成它的 Dog*。

1. 取出 p 指针指向对象的 vptr
  • p 指向一个对象，vptr（虚表指针）通常存储在对象内存起始位置。
  • vptr 指向该对象的虚表（vtable），用来动态决定函数调用和辅助信息。
2. 通过 vptr[-2] 读取“偏移到最派生对象的偏移量”
  • vptr 指向 vtable 的开始。
  • vptr[-2] 存放一个整数，表示从当前子对象地址回到最派生对象（MDO）起始地址的偏移。
  • 计算 adjusted_this = p + vptr[-2]，这时 adjusted_this 指向最派生对象的起始位置。
3. 读取新的 vptr
  • adjusted_this 指向最派生对象，取它的 vptr（此时是最派生对象的 vptr）。
  • 这个 vptr 里包含整个对象的动态类型信息。
4. 读取 vptr[-3] —— castToBase 函数指针
  • vptr[-3] 通常存放一个指向辅助函数的指针，即 castToBase。
  • castToBase 用来将 MDO 转换为指定的基类指针。
5. 调用 castToBase(adjusted_this, typeid(Dog))
  • 调用 castToBase，传入 MDO 指针和目标类型 typeid(Dog)。
  • 这个函数会：
    • 查找最派生对象中是否有 Dog 类型的子对象。
    • 如果有，则返回指向该子对象的指针（adjusted_this + offset_to_Dog）。
    • 如果没有，返回 nullptr。

总结：

这就是 C++ RTTI (Run-time type information) 和虚函数表配合完成 dynamic_cast 的核心机制。

这个示例的 CatDog_castToBase 函数是最直观、理想化的写法：

  • 它直接通过偏移硬编码（p + 0, p + 16, p + 32）找到对应的基类子对象指针，
  • 简单明了，效率也高。
    但是，正如你提到的，现实中主流编译器（Itanium ABI的GCC/Clang和MSVC）实现更复杂：
  • 它们不会写死偏移值，
  • 而是将整个类继承层次结构数据编码在运行时可访问的数据结构中，
  • dynamic_cast 时通过遍历和解析这张继承图来确定转换关系和偏移，
  • 这样做虽然“昂贵”，但支持更复杂的继承情况和更灵活的类型检查。

为什么这样做？（历史和实用原因）

  • 兼容性和通用性：支持复杂多继承、多虚继承结构，甚至运行时生成的类型信息。
  • 早期设计时，C++ ABI标准还在发展，设计者更倾向于通用且安全的方式。
  • 方便扩展和调试，维护复杂继承关系。
  • 实现上的“代码复杂度”和“执行效率”的权衡。
    你如果感兴趣，我可以帮你分析一下：
  • 现代编译器动态遍历继承图的具体机制，
  • 运行时存储的继承关系数据结构，
  • 以及实际如何用它们计算偏移和类型转换。

1. 静态转换（static_cast / dynamic_cast 从派生到基类）

  • 要求：目标基类必须在当前代码的词法作用域内可访问（accessible）且唯一（unambiguous）。
  • 含义：
    • 代码编译时检查访问权限，比如 protected 或 private 继承会限制访问。
    • 编译器根据当前位置的访问权限规则决定是否允许转换。
  • 示例：
    struct Sponge : protected Animal {auto accessible(Sponge *s) {return static_cast<Animal*>(s);  // 合法，因为在Sponge成员函数内，protected基类可访问}
};
auto inaccessible(Sponge *s) {return static_cast<Animal*>(s);  // 错误，外部不可访问protected继承的Animal
}

2. 运行时转换（dynamic_cast 和 catch 中的基类匹配）

  • 要求：目标基类必须是public且无歧义的基类。
  • 含义：
    • 运行时无词法作用域，只有**访问权限（public）**才算“可达”，
    • 因此protected或private基类不能通过dynamic_cast向上转换，也不会匹配异常处理中的catch子句。
  • 示例：
    struct Sponge : protected Animal {void accessible(Sponge *s) {try { throw s; } catch (Animal *a) {}  // 不会捕获，因为Animal是protected继承}
};
auto inaccessible(Sponge *s) {try { throw s; } catch (Animal *a) {}  // 也不会捕获
}

3. 总结

转换类型访问权限要求检查时机例外情况
static_cast / dynamic_cast 从派生到基类基类需在当前词法作用域内可访问编译期-
dynamic_cast / catch基类匹配基类必须是public继承运行时不能通过词法作用域控制

dynamic_cast 从基类（parent）向派生类（child）转换 的要点：

1. 动态向上转换 vs 向下转换的区别

  • 向上转换（derived → base）
    这是安全且简单的，因为派生类对象肯定包含基类子对象，且编译器能静态验证访问权限。
    通常 static_cast 就够了。
  • 向下转换（base → derived）
    比较复杂，运行时必须判断基类指针实际指向的对象是不是目标派生类（或其子类）的一部分。

2. 为什么向下转换不能用“先转到最派生对象，再castToBase”的方法？

  • 对于向**同层（兄弟类）**转换，我们可以：
    • 先根据 vptr[-2] 找到 most-derived-object (MDO)，
    • 然后用 castToBase 函数从 MDO 找到目标基类偏移。
  • 但是对于 base → derived 的转换，问题是：
    • 基类子对象不一定知道自己是哪个派生类的一部分，尤其是当继承关系包含 protected 或 private 继承时。
    • 例如 Sponge 继承自 protected Animal，所以从 Animal* 指针不知道它是 Sponge 的一部分。
    • 运行时没有词法作用域信息，也无法确认某个 Animal* 是属于 Sponge 还是其他类。

3. 举例说明

struct Sponge : protected Animal {};
struct Fish : public Animal {};
struct Reef : Fish, Sponge {};
Sponge *foo(Animal *animal) {return dynamic_cast<Sponge*>(animal);
}
  • Sponge 和 Fish 都继承自 Animal，但是 Sponge 是 protected Animal，Fish 是 public Animal。
  • Reef 同时继承自 Fish 和 Sponge。
  • 对于某个 Animal*，不知道它是指向 Fish 部分还是 Sponge 部分，甚至是否是 Reef 对象的一部分。

4. 结果

  • 运行时无法单靠偏移或 castToBase 判断。
  • dynamic_cast 需要查找复杂的继承信息，遍历类层次结构，确认真实类型，判断能否安全转换到 Sponge*。
  • 如果无法确认，转换失败，返回 nullptr。

总结

转换类型方法可行性备注
向上转换（derived→base）静态偏移，直接转换简单，编译器静态检查静态安全
同层转换（sibling base）MDO + castToBase 函数可行，偏移在 vtable 中依赖 vtable 支持
向下转换（base→derived）遍历继承层次，复杂 RTTI 查找必须，无法静态确定，只能运行时确认动态开销大，需完整继承信息

这部分重点是 dynamic_cast 从基类（parent）向派生类（child） 的动态实现思路，具体是：

动态从基类转派生类的核心步骤

  1. 找到最派生对象 (MDO)
    • 通过基类指针里的 vptr，获取最派生类的 RTTI（类型信息）和地址。
  2. 检查当前基类子对象是否为目标派生类的公有基类
    • 比如，给定的 Animal 子对象（在 MDO 中的偏移 x）是不是 Sponge 的公有基类？
    • 如果是，则直接返回指向对应 Sponge 子对象的指针（成功转换）。
  3. 如果不是，检查当前基类子对象是否是最派生对象本身的公有基类
    • 如果是，则递归调用 castToBase(mdo, typeid(Sponge))，试图继续转换。
  4. 否则转换失败，返回 nullptr。

伪代码示意

void *Reef_maybeFromHasAPublicChildOfTypeTo(void *mdo, int offset,const type_info& from, const type_info& to)
{if (offset == 0 && to == typeid(Fish))return (char*)mdo + 0;// 如果基类子对象偏移是 8（假设代表 Sponge 子对象），但是 Sponge 不是公有基类// 或者查询类型不匹配，返回 nullptr 表示转换失败return nullptr;
}

实际编译器（Itanium ABI, MSVC）做法

  • 不用简单硬编码偏移或条件判断。
  • 它们维护了完整的类继承图，包括每条继承边的访问权限（公有、保护、私有）信息。
  • dynamic_cast 时用**图搜索算法（DFS）**遍历整个继承结构，确认基类子对象是否属于目标派生类的公有基类。
  • 这种方法更通用但复杂，容易引入实现上的 Bug。

总结

  • 从基类向派生类动态转换，必须检查继承层次和访问权限。
  • 最简单的手写例子只能模拟一部分场景。
  • 真实编译器依赖复杂的继承图和算法，保证语义正确。
  • 这个过程是 dynamic_cast 实现中最难的一环。

这段代码和说明是用来从零实现一个模拟的 dynamic_cast，并且包含了对不同情况的区分处理，结合了它们的动态行为和静态检查。总结下核心点：

1. dynamicast 模板函数总览

template<class P, class From, class To = remove_pointer_t<P>>
To* dynamicast(From* p) {if constexpr (is_same_v<From, To>) {// 同类型，直接返回return p;} else if constexpr (is_base_of_v<To, From>) {// 静态向上转换，基类转换，直接 static_castreturn (To*)(p);} else if constexpr (is_void_v<To>) {// dynamic_cast<void*>：获取最派生对象指针return truly_dynamic_to_mdo(p);} else if constexpr (is_base_of_v<From, To>) {// base -> derived 的动态转换return truly_dynamic_from_base_to_derived<To>(p);} else {// 兄弟类之间的转换，复杂情况return truly_dynamic_between_unrelated_classes<To>(p);}
}

2. 关键辅助函数实现思路

truly_dynamic_to_mdo(p)

  • 从指针 p 中读取 vptr。
  • vptr 中 [-2] 位置是“到最派生对象的偏移”，加上指针偏移即得到最派生对象指针。
  • 返回调整后的最派生对象指针。

dynamic_typeid(void* p)

  • 通过 vtable 中的 RTTI 信息（vtable[-1]）获取最派生对象的类型信息。

truly_dynamic_from_base_to_derived<To>(From* p)

  • 先定位最派生对象 mdo。
  • 根据 mdo 的 RTTI，结合当前指针 p 在 mdo 的偏移，判断是否能向下转成目标类型 To。
  • 通过检查 ti.isPublicBaseOfMe() 和调用 ti.maybeFromHasAPublicChildOfTypeTo()、ti.castToBase() 来实现复杂的基类到派生类查找和转换。
  • 失败返回 nullptr。

truly_dynamic_between_unrelated_classes<To>(From* p)

  • 类似于上面，但是是不同分支（无直接继承关系）之间的转换。
  • 若 To 或 From 是 final，直接失败。
  • 通过最派生对象类型和访问权限查找进行转换。
  • 失败返回 nullptr。

3. 优化和静态检查

  • 编译时静态判断 From 和 To 之间的继承关系，避免不必要的动态查找。
  • 只有在真正需要时（如基类转派生类，跨兄弟类转换，或转换为 void*）才调用动态辅助函数。

4. 性能基准

  • 作者通过生成随机复杂类层次，用 Google Benchmark 比较了自定义 dynamicast 和系统自带 dynamic_cast 性能。
  • 结果可见代码仓库：GitHub - Quuxplusone/from-scratch
  • 显示出基于这种思路的实现是可行的，并且有实测数据。
http://www.lryc.cn/news/572389.html

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