25-10 动态转换
早在第10.6节——显式类型转换（强制转换casting）与static_cast中，我们探讨了强制转换的概念，以及使用static_cast将变量从一种类型转换为另一种类型的方法。
在本节中，我们将继续探讨另一种强制转换类型：dynamic_cast。
动态转换的必要性
在处理多态性时，你经常会遇到这样的情况：你拥有一个指向基类的指针，但想要访问仅存在于派生类中的某些信息。
考虑以下（略显刻意）的程序：
#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
class Base
{
protected:
int m_value{};
public:
Base(int value)
: m_value{value}
{
}
virtual ~Base() = default;
};
class Derived : public Base
{
protected:
std::string m_name{};
public:
Derived(int value, std::string_view name)
: Base{value}, m_name{name}
{
}
const std::string& getName() const { return m_name; }
};
Base* getObject(bool returnDerived)
{
if (returnDerived)
return new Derived{1, "Apple"};
else
return new Base{2};
}
int main()
{
Base* b{ getObject(true) };
// how do we print the Derived object's name here, having only a Base pointer?
delete b;
return 0;
}
在此程序中，函数 getObject() 始终返回一个 Base 指针，但该指针可能指向 Base 或 Derived 对象。当 Base 指针实际指向 Derived 对象时，我们该如何调用 Derived::getName()？
一种方案是在基类中添加名为 getName() 的虚函数（这样就能通过基类指针/引用调用，并动态解析为派生类 getName()）。但若用实际指向基类对象的指针/引用调用该函数时，它该返回什么值？实际上并无合理的返回值。更重要的是，这会让基类被衍生类专属的逻辑所污染。
我们知道C++会默认允许将派生类指针转换为基类指针（实际上getObject()正是如此操作），这种过程常被称为向上转换upcasting。但如果存在将基类指针反转为派生类指针的方法呢？这样就能直接用该指针调用Derived::getName()，完全无需考虑虚函数解析问题。
dynamic_cast
C++提供了一个名为dynamic_cast的转换运算符，可专门用于此目的。尽管动态转换具备多种功能，但最常见的用途是将基类指针转换为派生类指针，该过程称为向下转换downcasting。
动态转换的用法与静态转换完全相同。以下是我们前面示例中的 main() 函数，使用动态转换将 Base 指针重新转换为 Derived 指针：
int main()
{
Base* b{ getObject(true) };
Derived* d{ dynamic_cast<Derived*>(b) }; // use dynamic cast to convert Base pointer into Derived pointer
std::cout << "The name of the Derived is: " << d->getName() << '\n';
delete b;
return 0;
}
这将输出：
动态转换失败
上述示例能正常运行是因为变量 b 实际指向的是派生类对象，因此将 b 转换为派生类指针的操作成功了。
然而我们做出了相当危险的假设：即 b 指向的是派生类对象。若 b 指向的并非派生类对象呢？只需将 getObject() 的参数从 true 改为 false 即可验证：此时 getObject() 将返回指向基类对象的基类指针。当尝试将其动态转换为派生类指针时，由于无法完成转换，转换必然失败。
若 dynamic_cast 失败，转换结果将为空指针。
由于未检查空指针结果，后续调用 d->getName() 将尝试解引用空指针，导致未定义行为（可能引发崩溃）。
为确保程序安全，必须验证 dynamic_cast 是否真正成功：
int main()
{
Base* b{ getObject(true) };
Derived* d{ dynamic_cast<Derived*>(b) }; // use dynamic cast to convert Base pointer into Derived pointer
if (d) // make sure d is non-null
std::cout << "The name of the Derived is: " << d->getName() << '\n';
delete b;
return 0;
}
规则:
始终通过检查空指针结果来确保动态转换确实成功。
请注意，由于dynamic_cast会在运行时进行一致性检查（以确保转换可行），使用dynamic_cast确实会带来性能开销。
另请注意，在以下几种情况下使用dynamic_cast进行向下转换将无法成功：
- 涉及受保护或私有继承时。
- 未声明或继承任何虚函数的类（因此不存在虚函数表）。
- 涉及虚基类的特定情况（参见此页面了解部分案例及解决方法）。
使用static_cast进行向下转换
事实上，向下转换也可通过static_cast实现。主要区别在于static_cast不会进行运行时类型检查以确保操作合理性。这使得static_cast更快速但更危险。若将Base强制转换为Derived，即使Base指针未指向Derived对象，转换仍会“成功”。当尝试访问该派生指针（实际指向基类对象）时，将导致未定义行为。
若能绝对确定下转型成功，使用static_cast是可接受的。确保指针指向对象类型的有效方法是调用虚函数。以下是一种（不太理想）的实现方式：
#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
// Class identifier
enum class ClassID
{
base,
derived
// Others can be added here later
};
class Base
{
protected:
int m_value{};
public:
Base(int value)
: m_value{value}
{
}
virtual ~Base() = default;
virtual ClassID getClassID() const { return ClassID::base; }
};
class Derived : public Base
{
protected:
std::string m_name{};
public:
Derived(int value, std::string_view name)
: Base{value}, m_name{name}
{
}
const std::string& getName() const { return m_name; }
ClassID getClassID() const override { return ClassID::derived; }
};
Base* getObject(bool bReturnDerived)
{
if (bReturnDerived)
return new Derived{1, "Apple"};
else
return new Base{2};
}
int main()
{
Base* b{ getObject(true) };
if (b->getClassID() == ClassID::derived)
{
// We already proved b is pointing to a Derived object, so this should always succeed
Derived* d{ static_cast<Derived*>(b) };
std::cout << "The name of the Derived is: " << d->getName() << '\n';
}
delete b;
return 0;
}
但既然要费这么大功夫实现这个方案（还要承担调用虚函数和处理结果的开销），不如直接使用动态转换。
另外考虑一下，如果我们的对象实际上是某个从Derived派生的类（我们称之为D2），会发生什么情况。上述检查b->getClassID() == ClassID::derived将失败，因为getClassId()会返回ClassID::D2，这不等于ClassID::derived。不过将D2动态转换为Derived会成功，因为D2确实是Derived的子类！
动态转换与引用
尽管上述所有示例都展示了对指针的动态转换（这更为常见），但动态转换同样可用于引用。其工作原理与动态转换处理指针的方式类似。
#include <iostream>
#include <string>
#include <string_view>
class Base
{
protected:
int m_value;
public:
Base(int value)
: m_value{value}
{
}
virtual ~Base() = default;
};
class Derived : public Base
{
protected:
std::string m_name;
public:
Derived(int value, std::string_view name)
: Base{value}, m_name{name}
{
}
const std::string& getName() const { return m_name; }
};
int main()
{
Derived apple{1, "Apple"}; // create an apple
Base& b{ apple }; // set base reference to object
Derived& d{ dynamic_cast<Derived&>(b) }; // dynamic cast using a reference instead of a pointer
std::cout << "The name of the Derived is: " << d.getName() << '\n'; // we can access Derived::getName through d
return 0;
}
由于C++没有“空引用”的概念，dynamic_cast在失败时无法返回空引用。相反，当对引用的dynamic_cast失败时，会抛出类型为std::bad_cast的异常。本教程后续章节将详细讨论异常机制。
动态转换与静态转换
新手程序员常对何时使用静态转换与动态转换感到困惑。答案其实很简单：除非进行向下转换，否则应使用静态转换；而向下转换时，动态转换通常是更优选择。不过，您还应考虑完全避免强制转换，直接使用虚函数即可。
向下转换与虚函数
部分开发者认为dynamic_cast是恶劣的，是糟糕的类设计的标志。这些程序员主张应使用虚函数替代。
通常情况下，虚函数应优先于向下转换。但某些场景下向下转换是更优选择：
- 当无法修改基类添加虚函数时（例如基类属于标准库）
- 需要访问派生类特有的内容时（例如仅存在于派生类的访问函数）
- 向基类添加虚函数缺乏合理性时（例如基类无法返回合适的值）。若无需实例化基类，此时可考虑使用纯虚函数。
关于 dynamic_cast 和 RTTI 的警告
运行时类型信息Run-time type information（RTTI）是 C++ 的一项特性，可在运行时暴露对象的数据类型信息。dynamic_cast 便利用了这一特性。由于 RTTI 会带来相当显著的空间性能开销，某些编译器允许通过优化选项将其关闭。毋庸置疑，若关闭 RTTI，dynamic_cast 将无法正常工作。
浙公网安备 33010602011771号