C++中通过错误指针调用基类成员函数的合法性及虚拟场景影响

原代码 #

struct Base {
  int f() { return 42; }
};
struct D1 : Base {};
struct D2 : Base {};

int main() {
  D2 d2;
  D1* ouch = reinterpret_cast<D1*>(&d2);
  return ouch->f();
}

原代码合法性判断 #

这段代码是合法的。核心依据如下：

• 非虚成员函数Base::f()的调用地址在编译阶段就已确定，不依赖运行时对象的实际类型。
• ouch->f()本质是将D1*类型的ouch隐式转换为Base*，作为this指针传递给Base::f()。
• D1和D2都是Base的非虚单继承派生类，其内存布局中Base子对象位于派生类对象起始位置。reinterpret_cast得到的ouch指向D2对象的起始地址，转换为Base*后恰好指向D2中有效的Base子对象，满足非静态成员函数对this指针的有效性要求。

变体情况分析 #

1. 当f()为虚函数时

此时代码属于未定义行为。
虚函数调用依赖对象的虚表指针：D2对象的虚表指针指向D2的类虚表，而通过reinterpret_cast得到的D1*指针调用虚函数时，编译器会按照D1的内存布局访问虚表。C++标准未保证不同派生类的虚表布局或虚表指针位置一致，这种跨类型的虚函数调用违反类型安全，行为完全不可预期。

2. 当继承为虚继承时

无论f()是否为虚函数，代码均属于未定义行为。
虚继承下，Base子对象在派生类中的位置由编译器自由决定，不再固定在起始位置。D1和D2的Base子对象位置可能不同，reinterpret_cast<D1*>(&d2)转换后的指针，在隐式转为Base*时无法正确指向D2中的Base子对象，导致this指针无效，触发未定义行为。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者dtldarek