多重继承：从 void * 转换为第二个基类后的意外结果

Question

我的程序需要使用 void* 在动态调用情况下传输数据或对象，以便它可以引用任意类型的数据，甚至是原始类型的数据。但是，我最近发现，在具有多个基类的类的情况下，向下转换这些 void* 的过程会失败，甚至在对这些向下转换的指针调用方法后使我的程序崩溃，即使内存地址似乎是正确的。在访问“vtable”期间发生崩溃。

所以我创建了一个小测试用例，环境是 Mac OS X 上的 gcc 4.2：

class Shape {
public:
    virtual int w() = 0;
    virtual int h() = 0;
};

class Square : public Shape {
public:
    int l;
    int w() {return l;}
    int h() {return l;}
};

class Decorated {
public:
    int padding;
    int w() {return 2*padding;}
    int h() {return 2*padding;}
};

class DecoratedSquare : public Square, public Decorated {
public:
    int w() {return Square::w() + Decorated::w();}
    int h() {return Square::h() + Decorated::h();}
};


#include <iostream>

template <class T> T shape_cast(void *vp) {
//    return dynamic_cast<T>(vp);   // not possible, no pointer to class type
//    return static_cast<T>(vp);
//    return T(vp);
//    return (T)vp;
    return reinterpret_cast<T>(vp);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    DecoratedSquare *ds = new DecoratedSquare;
    ds->l = 20;
    ds->padding = 5;
    void *dsvp = ds;

    std::cout << "Decorated (direct)" << ds->w() << "," << ds->h() << std::endl;

    std::cout << "Shape " << shape_cast<Shape*>(dsvp)->w() << "," << shape_cast<Shape*>(dsvp)->h() << std::endl;
    std::cout << "Square " << shape_cast<Square*>(dsvp)->w() << "," << shape_cast<Square*>(dsvp)->h() << std::endl;
    std::cout << "Decorated (per void*) " << shape_cast<Decorated*>(dsvp)->w() << "," << shape_cast<Decorated*>(dsvp)->h() << std::endl;
    std::cout << "DecoratedSquare " << shape_cast<DecoratedSquare*>(dsvp)->w() << "," << shape_cast<DecoratedSquare*>(dsvp)->h() << std::endl;
}

产生以下输出：

Decorated (direct)30,30
Shape 30,30
Square 30,30
Decorated (per void*) 73952,73952
DecoratedSquare 30,30

如您所见，“Decorated (per void*)”结果是完全错误的。它也应该是 30,30，就像第一行一样。

无论我在 shape_cast() 中使用什么铸造方法，我总是会为 Decorated 部分获得相同的意外结果。这些 void * 完全有问题。

根据我对 C++ 的理解，这应该是可行的。有没有机会让它与 void* 一起工作？这可能是 gcc 中的错误吗？

谢谢

Answer 1

重复十次 - 您可以安全地使用 reinterpret_cast 指针做的唯一事情是 reinterpret_cast 将它返回到它来自的相同指针类型。这同样适用于转换为 void*：您必须转换回原始类型。

因此，如果您将 DecoratedSquare* 转换为 void*，则必须将其转换回 DecoratedSquare*。不是Decorated*，不是Square*，不是Shape*。其中一些可能在您的机器上工作，但这是好运和特定于实现的行为的结合。它通常适用于单继承，因为没有明显的理由以会阻止其工作的方式实现对象指针，但这不能保证，并且它通常不适用于多继承。

您说您的代码通过 void* 访问“任意类型，包括原始类型”。这并没有错——大概接收数据的人都知道将其视为DecoratedSquare*，而不是int*。

如果接收者只知道将其视为基类，例如Decorated*，那么将其转换为void*的人应先将static_cast转换为基类，然后再转换为void*：

void *decorated_vp = static_cast<Decorated*>(ds);

现在，当您将decorated_vp 转换回Decorated* 时，您将得到static_cast<Decorated*>(ds) 的结果，这就是您所需要的。

Answer 2

这不是编译器错误 - 这是 reinterpret_cast 所做的。 DecoratedSquare 对象将在内存中布局如下：

Square
Decorated
DecoratedSquare specific stuff

将指向 this 的指针转换为 void* 将给出该数据的起始地址，而不知道那里是什么类型。 reinterpret_cast<Decorated*> 将获取该地址并将其中的任何内容解释为Decorated - 但实际内存内容是Square。这是错误的，因此您会得到未定义的行为。

如果您将reinterpret_cast 转换为正确的动态类型（即DecoratedSquare），您应该会得到正确的结果，然后转换为基类。

Answer 3

存在多重继承的 static_cast 或 dynamic_cast 可能会通过偏移指针来更改指针的表示，以便它指定正确的地址。 static_cast 通过考虑静态类型信息来确定正确的偏移量。 dynamic_cast 通过检查动态类型来做到这一点。如果你抛出 void*，你将失去所有静态类型信息和获取动态类型信息的可能性，所以你使用的 reinterpret_cast 假设偏移量为空，有时会失败。