面试题：C++ 引用与指针类型转换在多态场景下的应用

Question

假设有一个基类 Base 和派生类 Derived，在使用虚函数实现多态的场景中，分别使用引用和指针进行类型转换（如向上转换和向下转换），描述其过程以及可能遇到的问题，特别是在 dynamic_cast 中的应用和限制。

Answer 1

1. 引用和指针的向上转换

• 过程：
  • 指针：派生类指针可以直接赋值给基类指针，例如Derived d; Base* b = &d;，这是因为派生类对象包含基类对象的所有成员，这种转换是隐式的，不需要额外的操作符。
  • 引用：派生类引用也可以隐式转换为基类引用，如Derived d; Base& b = d;，同样因为派生类对象中包含基类子对象。
• 可能遇到的问题：这种转换基本没有运行时错误风险，但通过基类指针或引用只能访问基类中定义的成员，可能丢失派生类特有的成员访问权限。

2. 引用和指针的向下转换

• 过程：
  • 指针：使用dynamic_cast进行向下转换，例如Base* b = new Derived(); Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(b);。dynamic_cast在运行时检查指针所指向的对象实际类型是否与目标类型（这里是Derived）一致，如果一致则返回有效的派生类指针，否则返回nullptr。
  • 引用：由于引用不能为空，所以dynamic_cast用于引用时，如果转换失败会抛出std::bad_cast异常。例如Base& b = *new Derived(); try { Derived& d = dynamic_cast<Derived&>(b); } catch (std::bad_cast& e) { // 处理异常 }。
• 可能遇到的问题：
  • 使用dynamic_cast的前提：要进行dynamic_cast的类必须包含虚函数，否则编译会报错。因为dynamic_cast依赖于运行时类型信息（RTTI），而RTTI是基于虚函数机制实现的。
  • 性能开销：dynamic_cast是运行时操作，相比编译时的静态转换（如static_cast）有一定的性能开销，因为它需要在运行时检查对象的实际类型。
  • 多重继承场景：在多重继承情况下，dynamic_cast的行为会更复杂。如果派生类从多个基类继承，dynamic_cast不仅要检查类型，还需要处理对象内存布局的调整，可能导致转换后的指针值发生变化。