C++中何时可安全使用static_cast进行向下转型？

问题背景 #

我想了解在哪些条件下，使用static_cast将父类指针转换为子类指针不会引发未定义行为。通常推荐用dynamic_cast做安全向下转型，但如果原指针指向的父类对象从不被用来访问子类成员，此时用static_cast是否安全？

示例代码如下：

struct Parent {
    int i = 3;
    void print() { std::cout << i << std::endl; }
};
struct Child : Parent {
    double d = 5;
    void change() { i *= 2; }
};

int main() {
    Parent* pParent = new Parent;
    Child* pChild = static_cast<Child*>(pParent);
    pChild->print(); // 是否安全？
    //std::cout << pChild->d << std::endl; // 明确是未定义行为
    //pChild->change(); // 调用这个函数会导致未定义行为吗？
}

额外问题：如果子类成员函数仅操作父类的成员（比如示例中的change()），调用它是否安全？

我的目标是避免用dynamic_cast提升性能，只要能明确规避未定义行为，愿意承担static_cast的风险，但现有讨论没明确给出具体的安全条件。

安全条件解析 #

用static_cast将父类指针转为子类指针（向下转型）时，只有当原指针实际指向的是子类对象（或者子类对象的基类子对象）时，这种转换本身才符合C++标准的定义。如果原指针指向的是纯父类对象，转换后的子类指针本质上是一个"无效"的子类类型指针——但严格遵守以下规则时，不会触发未定义行为：

绝对安全的操作 #

• 仅通过转换后的指针调用父类的非虚成员函数：比如示例中的pChild->print()，非虚函数的调用地址是编译期确定的，实际执行的是Parent::print()，只会访问Parent对象的成员，不会触碰子类独有的内存区域，行为完全可控。
• 仅访问父类的成员变量：比如用pChild->i读写，本质还是操作原Parent对象的i，不会越界访问非法内存。

会触发未定义行为的操作 #

• 访问子类独有的成员变量：比如pChild->d，原Parent对象没有为这个成员分配内存，访问它属于非法内存读写，直接触发未定义行为。
• 调用子类的虚函数：如果Parent和Child有同名虚函数，通过转换后的指针调用时，会尝试访问子类的虚函数表，但纯父类对象不存在这个表，行为完全不可预测。
• 调用子类的非虚成员函数（哪怕仅操作父类成员）：比如示例中的change()，从C++标准的角度，用指向纯父类对象的子类指针调用子类成员函数，无论函数内部逻辑如何，都属于"使用指向非子类对象的指针访问子类类型对象"，属于未定义行为范畴——即使当前编译器运行没问题，也不能保证换个编译器或优化等级后依然正常。

性能优化的替代方案 #

如果确实要规避dynamic_cast的性能开销，可以考虑：

• 类型标记法：在父类中添加一个枚举类型成员，标记对象的实际类型，转换前先检查标记，确认原指针指向的是子类对象后，再使用static_cast。
• 重构代码逻辑：尽量避免向下转型的场景，比如完善父类的多态接口，让父类接口直接满足业务需求；或者用模板、函数重载等方式替代向下转型的逻辑。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者cockatiel