c++ reinterpret_cast、virtual 和 templates 好吗？答案

【问题标题】：c++ reinterpret_cast, virtual, and templates ok?c++ reinterpret_cast、virtual 和 templates 好吗？
【发布时间】：2012-02-19 14:06:20
【问题描述】：

在 C++ 中，假设以下类层次结构：

class BaseClass { };
class ChildClass : public BaseClass { };

进一步假设这两个类的工厂类具有一个通用的模板化基类：

template<typename T>
class Factory {
public:
  virtual T* create() = 0;
};

class BaseClassFactory : public Factory<BaseClass> {
public:
  virtual BaseClass* create() {
    return new BaseClass(&m_field);
  }
private:
  SomeClass m_field;
};

class ChildClassFactory : public Factory<ChildClass> {
public:
  virtual ChildClass* create() {
    return new ChildClass(&m_field);
  }
private:
  SomeOtherClass m_field; // Different class than SomeClass
};

请注意，ChildClassFactory 和 BaseClassFactory 的大小/内部结构因字段不同而不同。

现在，如果有ChildClassFactory（或Factory<ChildClass>）的实例，我可以安全地将其转换为Factory<BaseClass>（通过reinterpret_cast）吗？

Factory<ChildClass>* childFactory = new ChildClassFactory();

// static_cast doesn't work - need to use reinterpret_cast
Factory<BaseClass>* baseFactory = reinterpret_cast<Factory<BaseClass>*>(childFactory);

// Does this work correctly? (i.e. is "cls" of type "ChildClass"?)
BaseClass* cls = baseFactory->create();

我知道您不能总是以这种方式转换模板类，但在这种特殊情况下，转换应该是安全的，不是吗？

我已经用 Visual C++ 2010 对其进行了测试，它确实可以工作。我现在的问题是这是否可以移植到其他编译器？

更新：由于存在一些混淆，让我再澄清一下在我的示例中什么（应该是）重要的：

ChildClass 是 BaseClass 的子类
Factory<BaseClass> 的用户不知道将创建BaseClass 的哪个子类。他只知道BaseClass 已创建。
Factory<T> 没有自己的字段（除了 vtable）。
Factory::create() 是 virtual

【问题讨论】：

在您的代码的这个特定片段中，我没有看到任何错误。
请注意，您的 BaseClassFactory 和您的 ChildClassFactory 类在任何方面都没有任何关系。此外，拥有Factory<T> 模板没有任何意义，因为每个模板实例都是不同的、不相关的类型，因此虚拟接口根本没有给您带来任何好处。
@SebastianKrysmanski C++ 代码发生工作并不意味着它不是完全错误的。而说它与Visual C++一起工作，就更没有意义了。
@SebastianKrysmanski：当我执行T* t = new T; delete t; t->foo(); 之类的操作并且它目前适用于我当前的编译器时，这是否意味着“它不可能完全错误”？
@SebastianKrysmanski：我的意思是您可以完全删除 Factory<T> 模板，您将获得完全相同的行为。

标签： c++ templates casting virtual reinterpret-cast

【解决方案1】：

不，不是。除了一些特殊情况外，您不能使用reinterpret_cast 的结果来回退内容：

ISO14882:2011(e) 5.2.10-7：

一个对象指针可以显式转换为一个对象指针一种不同的类型。70 当类型为“指向 T1 的指针”的纯右值 v 是转换为“指向 cv T2 的指针”类型，如果 T1 和 T2 都是标准布局，则结果为 static_cast(static_cast(v)) 类型（3.9）和T2的对齐要求不严格 T1 的那些，或者如果任何一种类型都是无效的。转换类型的prvalue “指向 T1 的指针”指向类型“指向 T2 的指针”（其中 T1 和 T2 是对象类型和 T2 的对齐要求没有比 T1 更严格）并返回其原始类型产生原始指针值。任何其他此类指针的结果转换未指定。

为了使可能的失败场景更加清晰，请考虑多重继承，其中使用static_cast 或dynamic_cast 有时会调整指针值，但reinterpret_cast 不会。考虑在此示例中从 A* 转换为 B*：

struct A { int x; };
struct B { int y; };
struct C : A, B { };

要了解您的代码如何以不同的方式失败，请考虑大多数编译器如何实现虚拟函数调用机制：使用虚拟指针。您的ChildClassFactory 实例将有一个虚拟指针，指向ChildClassFactory 的虚拟表。现在当你reinterpret_cast 这个野兽时，它只是碰巧“工作”了，因为编译器需要一些虚拟指针，指向一个具有相同/相似布局的虚拟表。但它仍将包含指向ChildCLassFactory 虚函数的值，因此将调用这些函数。所有这一切都是在调用未定义行为之后很久。就好像你开着车跳进一个大峡谷，想着“嘿，一切都很好”，只是因为你还没有着地。

【讨论】：

@AndersK：我添加了一些解释为什么他的情况也会失败。
但是Factory 没有基类，所以你的例子不适用。
好吧，我同意@Sebastian Krysmanskis 代码确实构成未定义的行为，但是我还没有看到编译器无法运行此代码。并不是说我可以声称已经测试了所有这些。所以在我看来，“它是否可以移植到其他编译器？”这个问题的答案。是：可能，但它依赖于标准中未定义的行为。
@PeterT：它在很大程度上依赖于虚拟桌子布局之类的东西，以至于你在那里非常薄弱。 baseFactory->create(); 调用的函数是ChildClassFactory::create。这个调用可以通过添加虚函数、移动成员、稍微改变一些类型来快速销毁。这与使用内联汇编程序一样可移植。
@PlasmaHH：我认为我们正在取得进展。因此，实际的问题是，对于所有模板实例，模板的 vtable 是否总是以完全相同的布局构造（例如，指向 create 的指针始终是 vtable 中的第一个）。

【解决方案2】：

不，reinterpret_cast 仅用于低级代码，因为它不会执行正确的地址操作。请改用 static_cast 或 dynamic_cast，

为什么要两个不符合 GoF 工厂模式的工厂。

reinterpret_cast 不是这样做的方法，因为它很慢（运行时检查）并且不是一个好的 OO 设计（你想使用语言中的多态性）。

而是在工厂类中创建构造函数来生成您所追求的类型，然后让这些构造函数调用各个类型的构造函数。

工厂模式允许您对实现中的更改一无所知，这是一件好事，因为您可以最大限度地减少依赖关系，并允许在未来的代码中更轻松地维护。

【讨论】：

reinterpret_cast 不是“慢（运行时检查）”，因为它只是一个编译时技巧，告诉编译器以不同的方式解释位模式。不涉及运行时检查。此外，由于Factory<ChildClass> 和Factory<BaseClass> 是两种完全不相关的类型，将一个实例的位模式解释为另一个实例是不可移植的。这一次它可能会起作用，只是因为它们碰巧是相同的，但它们不是。
@SebastianKrysmanski：您对模板和类有误解。模板是模板，而不是类或类型。只有在实例化之后，它才会成为一个类型。但它不以任何方式连接到具有其他模板参数的类型。 Foo<int> 是与 Foo<char> 完全不同的类型。当您考虑可以专注于 `Foo´ 并使其真正变得非常不同时，这一点变得更加清晰。
@SebastianKrysmanski：模板参数的继承关系在这里完全不相关。模板只是模板（在该术语的标准英语含义中），因为它们提供了一种创建代码的机制。您可以使用您的代码并将 Factory<CC> 的派生替换为手写类 Factory_CC（对于 BC 也是如此），这两个类与模板具有相同的主体。从 C++ 的观点来看，这不会改变任何东西，但它可能会更清楚地表明 Factory_CC 和 Factory_BB 是完全不相关的。
@SebastianKrysmanski：所以你的意思是，在调用 UB 很久之后，你有一个幸运的情况，当你在当前版本的编译器中被解释为错误类型时，你得到一个偶然具有可用位模式的指针，与当前的编译设置？好吧，当这是您对 portable 的解释时，就这样吧，但对于世界上大多数人来说，“依赖于 UB 的不稳定行为”！=“便携”
@SebastianKrysmanski 简单的一点是，在 C++ 中，某段代码可以在一个编译器上完美运行，而在另一个编译器（或者只是你的下一个版本）上崩溃（甚至使宇宙内爆）编译器）。当您的代码调用 未定义的行为 时就是这种情况，在这种情况下，您的代码错误或至少 不可移植（这就是您的正在寻找）。

【解决方案3】：

我已经勾选了上面的原始答案（以表扬他），但我想我会总结一下我在这里学到的东西。

因此，基本问题是没有定义必须如何实现调度虚拟调用。

这意味着内部用于虚拟呼叫调度的数据结构（例如 vtables）可能或可能不在从同一模板创建的模板实例之间有点兼容。

【讨论】：