C++标准转换运算符dynamic_cast

dynamic_cast <new_type> (expression)

dynamic_cast运算符，应该算是四个里面最特殊的一个，因为它涉及到编译器的属性设置，而且牵扯到的面向对象的多态性跟程序运行时的状态也有关系，所以不能完全的使用传统的转换方式来替代。但是也因此它是最常用，最不可缺少的一个运算符。

与static_cast一样，dynamic_cast的转换也需要目标类型和源对象有一定的关系：继承关系。 更准确的说，dynamic_cast是用来检查两者是否有继承关系。因此该运算符实际上只接受基于类对象的指针和引用的类转换。从这个方面来看，似乎dynamic_cast又和reinterpret_cast是一致的，但实际上，它们还是存在着很大的差别。

还是用代码来解释，让编译器来说明吧。

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// cast_operator_comparison.cpp                                                      
// Language:   C++                   
// Complier:    Visual Studio 2010, Xcode3.2.6 
// Platform:    MacBook Pro 2010
// Application:  none  
// Author:      Ider, Syracuse University  ider.cs@gmail.com
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#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

class Parents
{
public:
    Parents(string n="Parent"){ name = n;}
    virtual ~Parents(){}

    virtual void Speak()
    {
        cout << "\tI am " << name << ", I love my children." << endl;
    }
    void Work()
    {
        cout << "\tI am " << name <<", I need to work for my family." << endl;;
    }
protected:
    string name;
};

class Children : public Parents
{
public:
    Children(string n="Child"):Parents(n){ }

    virtual ~Children(){}

    virtual void Speak()
    {
        cout << "\tI am " << name << ", I love my parents." << endl;
    }
    /*
     **Children inherit Work() method from parents,
     **it could be treated like part-time job.
     */
    void Study()
    {
        cout << "\tI am " << name << ", I need to study for future." << endl;;
    }
    
private:
    //string name; //Inherit "name" member from Parents
};

class Stranger 
{
public:
    Stranger(string n="stranger"){name = n;}
    virtual ~Stranger(){}

    void Self_Introduce()
    {
        cout << "\tI am a stranger" << endl;
    }
    void Speak()
    {
        //cout << "I am a stranger" << endl;
        cout << "\tDo not talk to "<< name << ", who is a stranger." << endl;
    }
private:
    string name;
};

int main() {
    
    /******* cast from child class to base class *******/
    cout << "dynamic_cast from child class to base class:" << endl;
    Children * daughter_d = new Children("Daughter who pretend to be my mother");
    Parents * mother_d = dynamic_cast<Parents*> (daughter_d); //right, cast with polymorphism
    mother_d->Speak();
    mother_d->Work();
    //mother_d->Study(); //Error, no such method
    
    cout << "static_cast from child class to base class:" << endl;
    Children * son_s = new Children("Son who pretend to be my father");
    Parents * father_s = static_cast<Parents*> (son_s); //right, cast with polymorphism
    father_s->Speak();    
    father_s->Work();
    //father_s->Study(); //Error, no such method
    
    cout << endl;
    
    /******* cast from base class to child class *******/    
    cout << "dynamic_cast from base class to child class:" << endl;
    Parents * father_d = new Parents("Father who pretend to be a my son");
    Children * son_d = dynamic_cast<Children*> (father_d); //no error, but not safe
    if (son_d)
    {
        son_d->Speak();
        son_d->Study();
    }
    else cout << "\t[null]" << endl;
    
    cout << "static_cast from base class to child class:" << endl;
    Parents * mother_s = new Parents("Mother who pretend to be a my daugher");
    Children * daughter_s = static_cast<Children*> (mother_s);  //no error, but not safe
    if (daughter_s)
    {
        daughter_s->Speak();
        daughter_s->Study();
    }
    else cout << "\t[null]" << endl;
    
    cout << endl;
    
    /******* cast between non-related class *******/    
    cout << "dynamic_cast to non-related class:" << endl;
    Stranger* stranger_d = dynamic_cast<Stranger*> (daughter_d);
    if (stranger_d)
    {
        stranger_d->Self_Introduce();
        stranger_d->Speak();    
    }
    else cout <<"\t[null]"<<endl;
    
    //Stranger* stranger_s = static_cast<Stranger*> (son_s);    //Error, invalid cast
    
    cout << "reinterpret_cast to non-related class:" << endl;
    Stranger* stranger_r = reinterpret_cast<Stranger*> (son_s);
    if (stranger_r)
    {
        stranger_d->Self_Introduce();
        //stranger_d->Speak();    //This line would cause program crush,
        //as "name" could not be found corretly.
    }
    else cout << "\t[null]" << endl;

    cout << endl;
    
    /******* cast back*******/
    cout << "use dynamic_cast to cast back from static_cast:" << endl;
    Children* child_s = dynamic_cast<Children*> (father_s);
    if (child_s)
    {
        child_s->Speak();
        child_s->Work();
    }
    else cout << "\t[null]" << endl;
    
    //cout<<typeid(stranger_r).name()<<endl;
    
    cout << "use dynamic_cast to cast back from reinterpret_cast:" << endl;
    Children* child_r = dynamic_cast<Children*> (stranger_r);
    if (child_r)
    {
        child_r->Speak();
        child_r->Work();
    }
    else cout << "\t[null]" << endl;
    
    delete daughter_d;
    delete son_s;
    delete father_d;
    delete mother_s;
    
    return 0;
}

/********************* Result *********************/

//dynamic_cast from child class to base class:
//    I am Daughter who pretend to be my mother, I love my parents.
//    I am Daughter who pretend to be my mother, I need to work for my family.
//static_cast from child class to base class:
//    I am Son who pretend to be my father, I love my parents.
//    I am Son who pretend to be my father, I need to work for my family.
//
//dynamic_cast from base class to child class:
//    [null]
//static_cast from base class to child class:
//    I am Mother who pretend to be a my daugher, I love my children.
//    I am Mother who pretend to be a my daugher, I need to study for future.
//
//dynamic_cast to non-related class:
//    [null]
//reinterpret_cast to non-related class:
//    I am a stranger
//
//use dynamic_cast to cast back from static_cast:
//    I am Son who pretend to be my father, I love my parents.
//    I am Son who pretend to be my father, I need to work for my family.
//use dynamic_cast to cast back from reinterpret_cast:
//    [null]
  

从上边的代码和输出结果可以看出:

对于从子类到基类的指针转换，static_cast和dynamic_cast都是成功并且正确的（所谓成功是说转换没有编译错误或者运行异常；所谓正确是指方法的调用和数据的访问输出是期望的结果），这是面向对象多态性的完美体现。

而从基类到子类的转换，static_cast和dynamic_cast 都是成功的，但是正确性方面，我对两者的结果都先进行了是否非空的判别：dynamic_cast的结果显示是空指针，而static_cast则是非空 指针。但很显然，static_cast的结果应该算是错误的，子类指针实际所指的是基类的对象，而基类对象并不具有子类的Study()方法(除非妈妈 又想去接受个"继续教育")。

对于没有关系的两个类之间的转换，输出结果表明，dynamic_cast依然是返回一个空指针以表示转换是不成立的；static_cast直接在编译期就拒绝了这种转换。

reinterpret_cast成功进行了转换，而且返回的值并不是空指针，但是结果显然是错误的，因为Children类显然不具有 Stranger的Self_Introduce()。虽然两者都具有name数据成员和Speak()方法，，Speak()方法也只是调用了该相同名 称的成员而已，但是对于Speak()的调用直接造成了程序的崩溃。

其实前面static_cast的转换的结果也会跟reinterpret_cast一样造成的程序的崩溃，只是类的方法都只有一份，只有数据成员属于对象， 所以在调用那些不会访问对象的数据的方法时（如Stranger的Self_Introduce()）并不会造成崩溃。而 daughter_s->Speak();和daughter_s->Study();调用了数据成员却没有出现运行错误，则是因为该成员是 从基类继承下来的，通过地址偏移可以正确的到达数据成员所在的地址以读取出数据。

最后，程序里还用dynamic_cast希望把用其他转换运算符转换过去的指针转换回来。 对于使用static_cast转换后指向了子类对象的基类指针，dynamic_cast判定转换是合理有效的，因此转换成功获得一个非空的指针并且正 确输出了结果；而对于reinterpret_cast转换的类型，的确如它的功能一样——重新解析，变成新的类型，所以才得到dynamic_cast 判定该类型已经不是原来的类型结果，转换得到了一个空指针。

总得说来，static_cast和reinterpret_cast运算符要么直接被 编译器拒绝进行转换，要么就一定会得到相应的目标类型的值。 而dynamic_cast却会进行判别，确定源指针所指的内容，是否真的合适被目标指针接受。如果是否定的，那么dynamic_cast则会返回 null。这是通过检查"运行期类型信息"（Runtime type information，RTTI）来判定的，它还受到编译器的影响，有些编译器需要设置开启才能让程序正确运行（导师的PPT详细介绍了Visual Studio的情况），因此dynamic_cast也就不能用传统的转换方式来实现了。

虚函数（virtual function）对dynamic_cast的作用

已经在前面反复提到过面向对象的多态性，但是这个多态性到底要如何体现呢？dynamic_cast真的允许任意对象指针之间进行转换，只是最后返回个null值来告知转换无结果吗？

实际上，这一切都是虚函数（virtual function）在起作用。

在C++的面对对象思想中，虚函数起到了很关键的作用，当一个类中拥有至少一个虚函数，那么编译器就会构建出一个虚函数表(virtual method table)来指示这些函数的地址，假如继承该类的子类定义并实现了一个同名并具有同样函数签名（function siguature）的方法重写了基类中的方法，那么虚函数表会将该函数指向新的地址。此时多态性就体现出来了：当我们将基类的指针或引用指向子类的对象的时候，调用方法时，就会顺着虚函数表找到对应子类的方法而非基类的方法。

当然虚函数表的存在对于效率上会有一定的影响，首先构建虚函数表需要时间，根据虚函数表寻到到函数也需要时间。

因为这个原因如果没有继承的需要，一般不必在类中定义虚函数。但是对于继承来说，虚函数就变得很重要了，这不仅仅是实现多态性的一个重要标志，同时也是dynamic_cast转换能够进行的前提条件。

假如去掉上个例子中Stranger类析构函数前的virtual，那么语句
Children* child_r = dynamic_cast<Children*> (stranger_r);

在编译期就会直接报出错误，具体原因不是很清楚，我猜测可能是因为当类没有虚函数表的时候，dynamic_cast就不能用RTTI来确定类的具体类型，于是就直接不通过编译。

这不仅仅是没有继承关系的类之间的情况，如果基类或者子类没有任何虚函数（如果基类有虚函数表，子类当然是自动继承了该表），当他们作为dynamic_cast的源类型进行转换时，编译也会失败。

这种情况是有可能存在的，因为在设计的时候，我们可能不需要让子类重写任何基类的方法。但实际上，这是不合理的。导师在讲解多态性的时候，时刻强调了一点：如果要用继承，那么一定要让析构函数是虚函数；如果一个函数是虚函数，那么在子类中也要是虚函数。

我会将导师关于"为何继承中析构函数必须是虚函数"的讲解总结一下，当然你也可以看这边文章来了解原因。

Director: Jim Fawcett

1. C++ Language Tutorial - Type Casting
2. Object Oriented Design
3. IBM Complilers - XL C/C++ V9.0 for Linux - The dynamic_cast operator (C++ only)
4. MSDN Visual C++ Develope Center - dynamic_cast Operator
5. In C++, what’s a virtual destructor and when is it needed?
6. Wikipedia The Free Encyclopedia - Run-Time Type Information
7. Wikipedia The Free Encyclopedia - Virtual Function