C++基础#20：C++中的动态强制dynamic_cast

简介：

C++中提供了动态强制（dynamic_cast），是一种运行时类型识别机制，可以从一个虚的基类强制到一个派生类。我们常常需要知道，在运行过程中，我们真正在使用的是哪个类的对象，这时，可以明确地使用dynamic_cast来得到运行时类型的信息。

 数据类型转换系列文章：

C++中的动态强制dynamic_cast

C++中的RTTI机制之typeid

C++中的静态强制static_cast

C++中的reinterpret_cast数据类型转换

C++中的const_cast数据类型转换

 dynamic_cast注意事项以及示例代码：

注意事项：

虚基类（或称抽象类）可以使用dynamic_cast，但是，非虚基类不可以。

在dynamic_cast被设计之前，C++无法实现从一个虚基类到派生类的强制转换。dynamic_cast就是为解决虚基类到派生类的转换而设计的。

示例代码：

示例代码1: 子类--->父类(虚基类)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

//美术家
class Artist {
    public:
        virtual void draw() {printf("Artist draw\n");}
};

//音乐家
class Musician {
	public:
};

//教师
class Teacher {
    public:
        virtual void teachStu() {printf("Teacher teachStu\n");}
};

//即是美术，又是音乐家，又是教师的人
class Amt: public virtual Artist,public virtual Musician,public Teacher {
	public:

};

void test1() {

	Amt *p1 = new Amt();
	p1->draw();
	p1->teachStu();

	printf("\ndynamic_cast test:\n");

	Artist *a1 =  dynamic_cast<Artist*>(p1);
	//Artist *a1 =  p1; //向上转换，C++总是能够正确识别。即将派生类的指针赋值给基类指针。

	a1->draw();     //success: 打印Artist draw
	//a1->teachStu(); //error: no member named 'teachStu' in 'Artist'

}

int main() {
	test1();

	return 0;

}

说明：

1）继承关系：Amt 继承自Artist，Musician，Teacher三个类；

2）语意：Artist美术家，Musician音乐家，Teacher教师。

Amt类：定义一个类，它的特点是：既是美术家，又是音乐家，也是教师。

上面的代码，运行结果如下：

Artist draw

Teacher teachStu

dynamic_cast test:

Artist draw

分析：

下面两条语句均正确，都能由子类Amt转化为父类Artist，并且调用父类Artist的成员函数成功。

Artist *a1 =  dynamic_cast<Artist*>(p1); 等价于

Artist *a1 =  p1; 

a1->draw();     //success

可见，向上转换，无论是否用dynamic_cast，C++总是能够正确识别，即将派生类的指针赋值给基类指针。

示例代码2:  父类(虚基类)--->子类，采用虚继承的方式：

对于上面的类，再看如下代码：

void test1() {

	Amt *p1 = new Amt();
	
	printf("\ndynamic_cast test:\n");

	Artist *a1 = p1; //success
	//Amt *p2 = (Amt*)a1; //error: cannot cast 'Artist *' to 'Amt *' via virtual base 'Artist'
	Amt *p3 = dynamic_cast<Amt*>(a1);//success：加了dynamic_cast，进行强转
}

分析：

 1）   //Amt *p2 = (Amt*)a1; //error: cannot cast 'Artist *' to 'Amt *' via virtual base 'Artist',
明确说明，无法直接用（T*）b的形式去进行由父类指针到派生类指针的转换；

2） Amt *p3 = dynamic_cast<Amt*>(a1);//success：加了dynamic_cast，进行强转。

由父类指针到派生类指针的转换通过dynamic_cast完成。

重点来了，为什么使用了dynamic_cast，基类指针a1就能转换为派生类指针p3呢？

这就是RTTI机制，

RTTI：Run Time Type Identification，即通过运行时类型识别。程序能够使用基类的指针或引用来检查这些指针或引用所指的对象的实际派生类型。

以上案例中，各个实例和class总结如下：

a1: Artist

m1:Musician

t1:Teacher

p1:Amt

Amt: 继承自Artist，Musician，Teacher。

在这个内存模型中：

每个类都会在内存中保存一份类型信息，编译器会将存在继承关系的类的类型信息使用指针“连接”起来，从而形成一个继承链（Inheritance Chain）。

dynamic_cast使用注意事项：

1）查找规则：当使用 dynamic_cast 对指针进行类型转换时，会先找到该指针指向的对象，再根据对象找到当前类（指针指向的对象所属的类）的类型信息，并从此节点开始沿着继承链向上遍历（注意是向上），如果找到了要转化的目标类型，那么说明这种转换是安全的，就能够转换成功，如果没有找到要转换的目标类型，那么说明这种转换存在较大的风险，就不能转换。

2）作用对象：注意dynamic_cast转换符只能用于含有虚函数的类。

现在，用RTTI来解释test1()函数中的代码：

p1是派生类指针，a1是基类指针，根据RTTI机制，从p1所指向的类Amt类向上找，能找到a1所指的类Artist类，所以，dynamic_cast转换是合法的。

示例代码3:  父类(非虚基类)--->子类，采用虚继承的方式：

void test3() {

	Amt *p1 = new Amt();
	
	printf("\ndynamic_cast test:\n");

	Musician *m1 = p1; //success
	Amt *p2 = (Amt*)m1; //cannot cast 'Musician *' to 'Amt *' via virtual base 'Musician'
	Amt *p3 = dynamic_cast<Amt*>(m1);//error: 'Musician' is not polymorphic

}

 分析：

根据dynamic_cast使用注意事项中的“dynamic_cast转换符只能用于含有虚函数的类(虚基类

)”， Musician是非虚基类，所以，无法进行强制dynamic_cast转换。

示例代码4:  父类(虚基类)--->子类，采用非虚继承的方式：

void test4() {

	Amt *p1 = new Amt();
	
	printf("\ndynamic_cast test:\n");

	Teacher *t1 = p1; //success
	Amt *p2 = (Amt*)t1;                //success,继承自Teacher，采用非虚继承的方式（不使用virtual），所以ok。
	Amt *p3 = dynamic_cast<Amt*>(t1);  //success：加了dynamic_cast，进行强转

}

 分析：

1）对于

Amt *p2 = (Amt*)t1; 

Amt继承自Teacher，而采用非虚继承的方式，成功，因为采用的是非虚继承；

2）对于

Amt *p3 = dynamic_cast<Amt*>(t1); 

加了dynamic_cast，进行强转，成功，因为Teacher是虚基类，而且符合RTTI规则。

dynamic_cast源码举例：

在Android源码中，可以查看到很多dynamic_cast的实现，来看其中一例：

代码位置：

/ndk/sources/cxx-stl/gabi++/src/dynamic_cast.cc

部分代码摘抄：

（从函数名字就可以看出，这个函数的作用是：把基类转换成派生类）

// based-to-derive cast in the general case.

  void
  base_to_derived_cast(const void *object,
                       const abi::__class_type_info *type,
                       cast_context* context)
  {
    const void* saved_dst_object = context->dst_object;
    bool is_dst_type = *type == *context->dst_type;
    if (is_dst_type)
      context->dst_object = object;

    if (object == context->object
        && context->dst_object != NULL
        && *type == *context->src_type)
      {
        if (context->result == NULL)
          context->result = context->dst_object;
        else if (context->result != context->dst_object)
          context->result = ambiguous_object;
        context->dst_object = saved_dst_object;
        return;
      }

    switch(type->code())
      {
      case abi::__class_type_info::CLASS_TYPE_INFO_CODE:
        // This isn't not the class you're looking for.
        break;

      case abi::__class_type_info::SI_CLASS_TYPE_INFO_CODE:
        // derived type has a single public base at offset 0.
        {
          const abi::__si_class_type_info* ti =
            static_cast<const abi::__si_class_type_info*>(type);
          base_to_derived_cast(object, ti->__base_type, context);
          break;
        }

      case abi::__class_type_info::VMI_CLASS_TYPE_INFO_CODE:
        {
          const void* vtable = get_vtable(object);
          const abi::__vmi_class_type_info* ti =
            static_cast<const abi::__vmi_class_type_info*>(type);

          // Look at all direct bases.
          for (unsigned i = 0; i < ti->__base_count; ++i)
            {
              if (!ti->__base_info[i].is_public())
                continue;

              const void *subobject =
                get_subobject(object, vtable, &ti->__base_info[i]);
              base_to_derived_cast(subobject, ti->__base_info[i].__base_type,
                                   context);

              // FIXME: Use flags in base_info to optimize search.
              if (context->result == ambiguous_object)
                break;
            }
          break;
        }

      default:
        assert(0);
      }
     context->dst_object = saved_dst_object;
  }
} // namespace

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