C++中的四種類型轉(zhuǎn)換

更新時(shí)間：2015年08月25日 09:47:52 投稿：hebedich

類型轉(zhuǎn)換有c風(fēng)格的，當(dāng)然還有c++風(fēng)格的。c風(fēng)格的轉(zhuǎn)換的格式很簡(jiǎn)單（TYPE）EXPRESSION，但是c風(fēng)格的類型轉(zhuǎn)換有不少的缺點(diǎn)，有的時(shí)候用c風(fēng)格的轉(zhuǎn)換是不合適的，因?yàn)樗梢栽谌我忸愋椭g轉(zhuǎn)換，

1 引子

這篇筆記是根據(jù)StackOverflow上面的一個(gè)問題整理而成，主要內(nèi)容是對(duì)C/C++當(dāng)中四種類型轉(zhuǎn)換操作進(jìn)行舉例說明。在之前其實(shí)對(duì)它們都是有所了解的，而隨著自己在進(jìn)行總結(jié)，并敲了一些測(cè)試示例代碼進(jìn)行驗(yàn)證之后，對(duì)它們的理解又深刻了一些。

總所周知，在C++ 當(dāng)中引入了四種新的類型轉(zhuǎn)換操作符：static_cast, dynamic_cast, reinterpret_cast，還有const_cast。就自己見過的一些C++代碼當(dāng)中，它們的使用其實(shí)并不普遍。不少程序員依然樂于去使用C-like的類型轉(zhuǎn)換，因?yàn)樗鼜?qiáng)大且編寫起來又簡(jiǎn)單。據(jù)說C-Like類型轉(zhuǎn)換操作符的作用實(shí)際上已經(jīng)包括了static_cast, const_cast和reinterpret_cast三種操作符，你相信嗎？一起來著看。

注：上面提到的C-Like類型轉(zhuǎn)換操作有如下的兩種形式，這一點(diǎn)大家一定都不會(huì)陌生。

(new-type) expression
new-type (expression)

2 static_cast vs dynamic_cast

之所以把static_cast與dynamic_cast兩兄弟放在一起是因?yàn)樗鼈儍烧邔?duì)比起來更容易記得住。首先，從名稱上面它們就有語義相對(duì)的關(guān)系，一“靜”一“動(dòng)”。另外，在功能上面也在一定程度上體現(xiàn)了這一對(duì)比的特性，如dynamic_cast的Run-time Checkingt，static_cast在編譯時(shí)增加的類型檢測(cè)。簡(jiǎn)單而言：

static_cast： 1）完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型，2）同一個(gè)繼承體系中類型的轉(zhuǎn)換
dynamic_cast：使用多態(tài)的場(chǎng)景，增加了一層對(duì)真實(shí)調(diào)用對(duì)象類型的檢查

2.1 從C-Like到static_cast

static_cast對(duì)于基礎(chǔ)類型如int, float, char以及基礎(chǔ)類型對(duì)應(yīng)指針的處理大多情況下恰如C-Like的轉(zhuǎn)換一樣，不過static_cast會(huì)來得更加安全。

char c = 10;      // 1 個(gè)字節(jié)
int *p = (int *)&c;  // 4 個(gè)字節(jié)（32bit platform）

*p = 5;        // 內(nèi)存踩臟
int *q = static_cast<int *>(&c); // 使用static_cast可在編譯階段將該錯(cuò)誤檢查出來。

對(duì)于自定義類型的處理，相比C-Like而言，它也多了一層保護(hù)，也就是它不支持在不屬于同一繼承體系的類型之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。但是C-Like就可以辦到，看下面這個(gè)例子：

#include <iostream>

class A
{
public:
 A(){}
 ~A(){}
 
private:
 int i, j;
};

class C
{
public:
 C(){}
 ~C(){}

 void printC()
 {
  std::cout <<"call printC() in class C" <<std::endl;
 }
private:
 char c1, c2;
};

int main()
{ 
 A *ptrA = new A;
 //C *ptrC = static_cast<C *>(ptrA);
 // 編譯無法通過，提示：
 // In function ‘int main()':
 // error: invalid static_cast from type ‘A*' to type ‘C*'
 
 C *ptrC = (C *)(ptrA);
 ptrC->printC();
 // 編譯正常通過。
 // 盡管這個(gè)時(shí)候能夠正常調(diào)用printC，但實(shí)際上這種做法的結(jié)果是“undefined”
 // 嘗試過，如果添加一些數(shù)據(jù)成員的運(yùn)算，這個(gè)時(shí)候?qū)?huì)使得運(yùn)算結(jié)果無法預(yù)測(cè)
 // 所以，在運(yùn)行時(shí)候該邏輯相關(guān)的行為是不清晰的。
 
 return 0;
}

2.2 static_cast對(duì)于自定義類型的轉(zhuǎn)換

上面這個(gè)小例子簡(jiǎn)單對(duì)比了static_cast與C-Like在針對(duì)不同繼承體系的類之間表現(xiàn)的差異性，現(xiàn)在先把范圍縮小到同一繼承體系當(dāng)中的類型轉(zhuǎn)換。（注：這里所說的類型一般是針對(duì)類的指針或者類的引用）

static_cast針對(duì)同一繼承體系的類之間的轉(zhuǎn)換，它既可以進(jìn)行upcast也可以進(jìn)行downcast。一般來說，在進(jìn)行upcast時(shí)是沒有問題的，畢竟子類當(dāng)中一定包含有父類的相關(guān)操作集合，所以通過轉(zhuǎn)換之后的指針或者引用來操作對(duì)應(yīng)的對(duì)象，其行為上是可以保證沒問題。這和使用static_cast與使用C-Like或者直接隱式轉(zhuǎn)換效果一樣（當(dāng)然，其結(jié)果是否符合程序員本身的預(yù)期與當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)有關(guān)系）。

需要注意的是，使用static_cast進(jìn)行downcast應(yīng)該避免，因?yàn)樗梢皂樌舆^編譯器的法眼，但在運(yùn)行時(shí)卻會(huì)爆發(fā)未定義的問題：

#include <iostream>

class A
{
public:
 A():i(1), j(1){}
 ~A(){}
 
 void printA()
 {
  std::cout <<"call printA() in class A" <<std::endl;
 }
 
 void printSum()
 {
  std::cout <<"sum = " <<i+j <<std::endl;
 }
 
private:
 int i, j;
};

class B : public A
{
public:
 B():a(2), b(2) {}
 ~B(){}

 void printB()
 {
  std::cout <<"call printB() in class B" <<std::endl;
 }
 
 void printSum()
 {
  std::cout <<"sum = " <<a+b <<std::endl;
 }
 
 void Add()
 {
  a++;
  b++;
 }
 
private:
 double a, b;
};

int main()
{   
 B *ptrB = new B;
 ptrB->printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 4
 A *ptrA = static_cast<B *>(ptrB);  
 ptrA->printA();
 ptrA->printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 2
 //在進(jìn)行upcast的時(shí)候，指針指向的對(duì)象的行為與指針的類型相關(guān)。
 
 
 ptrA = new A;
 ptrA->printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 2 
 ptrB = static_cast<B *>(ptrA);
 ptrB->printB();
 ptrB->printSum(); 
 //打印結(jié)果：sum = 0
 //在進(jìn)行downcast的時(shí)候，其行為是“undefined”。
 
 //B b;
 //B &rB = b;
 //rB.printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 4
 //A &rA = static_cast<A &>(rB);  
 //rA.printA();
 //rA.printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 2
 //在進(jìn)行upcast的時(shí)候，引用指向的對(duì)象的行為與引用的類型相關(guān)。
 
 //A a;
 //A &rA = a;
 //rA.printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 4
 //B &rB = static_cast<B &>(rA);  
 //rB.printB();
 //rB.printSum();
 //打印結(jié)果：sum = 5.18629e-317 
 //在進(jìn)行downcast的時(shí)候，其行為是“undefined”。
 
 return 0;
}

如上，static_cast在對(duì)同一繼承體系的類之間進(jìn)行downcast時(shí)的表現(xiàn)，與C-Like針對(duì)分屬不同繼承體系的類之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)的表現(xiàn)一樣，將是未定義的。所以，應(yīng)該盡可能使用static_cast執(zhí)行downcast轉(zhuǎn)換，更準(zhǔn)確的說，應(yīng)該盡可能避免對(duì)集成體系的類對(duì)應(yīng)的指針或者引用進(jìn)行downcast轉(zhuǎn)換。

既然這樣，那是不是在軟件開發(fā)過程當(dāng)中就不會(huì)存在downcast的這種情況了呢？實(shí)際上不是的。一般來說，進(jìn)行downcast的時(shí)候一般是在虛繼承的場(chǎng)景當(dāng)中，這個(gè)時(shí)候dynamic_cast就上場(chǎng)了。

2.3 dynamic_cast

dynamic_cast的使用主要在downcast的場(chǎng)景，它的使用需要滿足兩個(gè)條件：

downcast時(shí)轉(zhuǎn)換的類之間存在著“虛繼承”的關(guān)系
轉(zhuǎn)換之后的類型與其指向的實(shí)際類型要相符合
dynamic_cast對(duì)于upcast與static_cast的效果是一樣的，然而因?yàn)閐ynamic_cast依賴于RTTI，所以在性能上面相比static_cast略低。

#include <iostream>
#include <exception>

class A
{
public:
 virtual void print() 
 {
  std::cout <<"Welcome to WorldA!" <<std::endl;
 }
};

class B : public A
{
public:
 B():a(0), b(0) {}
 ~B(){}
 virtual void print() 
 {
  std::cout <<"Welcome to WorldB!" <<std::endl;
 }
private:
 double a, b;
};

int main()
{
 B *ptrB = new B;
 A *ptrA = dynamic_cast<A *>(ptrB);
 ptrA->print();
 //在虛繼承當(dāng)中，針對(duì)指針執(zhí)行upcast時(shí)dynamic_cast轉(zhuǎn)換的效果與static_cast一樣
 //對(duì)是否存在virtual沒有要求，會(huì)實(shí)際調(diào)用所指向?qū)ο蟮某蓡T。
  
 //A *ptrA = new A;
 //B *ptrB = dynamic_cast<B *>(ptrA);
 //ptrB->print();
 //Segmentation fault，針對(duì)指針執(zhí)行downcast時(shí)轉(zhuǎn)換不成功，返回NULL。
 
 //A a;
 //A &ra = a;
 //B &b = dynamic_cast<B &>(ra);
 //b.print();  
 //拋出St8bad_cast異常，針對(duì)引用執(zhí)行downcast時(shí)轉(zhuǎn)換不成功，拋出異常。
 
 //ptrA = new A;
 //ptrB = static_cast<B *>(ptrA);
 //ptrB->print();
 //使用static_cast進(jìn)行downcast的時(shí)候，與dynamic_cast返回NULL不同，
 //這里會(huì)調(diào)用ptrB實(shí)際指向的對(duì)象的虛函數(shù)。
  
 //ptrA = new A;
 //ptrB = dynamic_cast<B *>(ptrA);
 //ptrB->print();
 //在進(jìn)行downcast時(shí)，如果沒有virtual成員，那么在編譯時(shí)會(huì)提示： 
 // In function ‘int main()':
 // cannot dynamic_cast ‘ptrA' (of type ‘class A*') to type ‘class B*' (source type is not polymorphic)
 
 return 0;
}

從這個(gè)例子可以看出，在虛繼承場(chǎng)景下，能夠使用dynamic_cast的地方一定可以使用static_cast，然而dynamic_cast卻有著更嚴(yán)格的要求，以便幫助程序員編寫出更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇a。只不過，它在性能上面多了一部分開銷。

3 reinterpret_cast

reinterpret_cast是最危險(xiǎn)的一種cast，之所以說它最危險(xiǎn)，是因?yàn)樗谋憩F(xiàn)和C-Like一般強(qiáng)大，稍微不注意就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。它一般在一些low-level的轉(zhuǎn)換或者位操作當(dāng)中運(yùn)用。

#include <iostream>

class A
{
public:
 A(){}
 ~A(){}
 void print() 
 {
  std::cout <<"Hello World!" <<std::endl;
 }
};

class B
{
public:
 B():a(0), b(0) {}
 ~B(){}

 void call()
 {
  std::cout <<"Happy for your call!" <<std::endl;
 }

private:
 double a, b;
};

int main()
{
 //A *ptrA = new A;
 //B *ptrB = reinterpret_cast<B *>(ptrA);
 //ptrB->call();
 //正常編譯
 //A *ptrA = new A;
 //B *ptrB = (B *)(ptrA);
 //ptrB->call();
 //正常編譯
 //A *ptrA = new A; 
 //B *ptrB = static_cast<B *>(ptrA);
 //ptrB->call();
 //編譯不通過，提示：
 //In function ‘int main()':
 //error: invalid static_cast from type ‘A*' to type ‘B*'
 
 //char c;
 //char *pC = &c;
 //int *pInt = static_cast<int *>(pC);
 //編譯提示錯(cuò)誤：error: invalid static_cast from type ‘char*' to type ‘int*'
 //int *pInt = reinterpret_cast<int *>(pC);
 //正常編譯。
 //int *pInt = (int *)(pC);
 //正常編譯。
 
 return 0;
}

分析了static_cast，dynamic_cast與reinterpret_cast之后就可以畫出如下的圖示對(duì)它們之間的區(qū)別進(jìn)行簡(jiǎn)單比較了。這里沒有將const_cast納入進(jìn)來是因?yàn)樗容^特殊，另外分節(jié)對(duì)它進(jìn)行介紹。

     ----------------
     /  dynamic_cast \ -->同一繼承體系（virtual）的類指針或引用[更安全的downcast]
    ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~  
    /   static_cast  \ -->基礎(chǔ)類型[更安全]，同一繼承體系的類指針或引用
   ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
   /  reinterpret_cast  \ -->與C-Like的作用一致，沒有任何靜態(tài)或者動(dòng)態(tài)的checking機(jī)制
  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
  /     C-Like      \ -->基礎(chǔ)類型，同一繼承體系的類指針或引用,不同繼承體系類的指針或引用
 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

4 const_cast

const_cast能夠使用來移出或者增加一個(gè)變量的const屬性，最初的時(shí)候我覺得這個(gè)const_cast比較怪異，C里面一直都沒有類似的東西來消除const屬性，這里是否會(huì)多余呢？其實(shí)，我這種想法本身就沒根沒據(jù)。后來想想，在C++當(dāng)中一直提倡將常量聲明為const，這樣一旦常量變得多了起來，在與其他軟件組件或者第三方庫(kù)進(jìn)行銜接的時(shí)候就難免會(huì)碰到需要cast const屬性的問題。比如：

const int myConst = 15;
int *nonConst = const_cast<int *>(&myConst);

void print(int *p)
{
  std::cout << *p;
}

print(&myConst); // 編譯錯(cuò)誤：error: invalid conversion from ‘const int*' to ‘int*'
print(nonConst); // 正常

不過，在使用const_cast的時(shí)候應(yīng)該要注意，如果沒有必要盡量不要去修改它的值：

const int myConst = 15;
int *nonConst = const_cast<int *>(&myConst);

*nonConst = 10;
// 如果該變量存放在read-only內(nèi)存區(qū)當(dāng)中，在運(yùn)行時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

5 小結(jié)

在C++當(dāng)中對(duì)于大部分?jǐn)?shù)據(jù)類型而言，使用C-Like的類型轉(zhuǎn)換已經(jīng)完全夠用了。然而，不少人一直在倡導(dǎo)進(jìn)行顯式數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候盡可能地使用C++規(guī)定的類型轉(zhuǎn)換操作。我想這里面大概有兩方面的原因：

第一種，C++是一門“新”的編程語言，應(yīng)該學(xué)會(huì)用它本身的思想來解決編程方面的問題；
第二種，盡管C-Like轉(zhuǎn)換操作能力強(qiáng)大，但如果將其任意使用，會(huì)產(chǎn)生不少在編譯期間隱藏，卻在運(yùn)行時(shí)候神出鬼沒。這些問題使得軟件的行為極不清晰。
如此，C++當(dāng)中引出了其他四種類型轉(zhuǎn)換方式，用來更加安全的完成一些場(chǎng)合的類型轉(zhuǎn)換操作。比如使用reinterpret_cast的時(shí)候會(huì)表示你確定無疑的想使用C-Like的類型轉(zhuǎn)換；在使用static_cast的時(shí)候想要確保轉(zhuǎn)換的對(duì)象基本兼容，比如無法將char *轉(zhuǎn)換為int *，無法在不同繼承體系類的指針或引用之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換；而使用dynamic_cast的時(shí)候是要對(duì)虛繼承下的類執(zhí)行downcast轉(zhuǎn)換，并且已經(jīng)明了當(dāng)前性能已經(jīng)不是主要的影響因素......

回答一下前文提到的問題?？梢赃@么說，對(duì)于const_cast, static_cast, reinterpret_cast和dynamic_cast所能夠完成的所有轉(zhuǎn)換，C-Like也可以完成。但是，C-Like轉(zhuǎn)換卻沒有static_cast, dynamic_cast分別提供的編譯時(shí)類型檢測(cè)和運(yùn)行時(shí)類型檢測(cè)。

C++之父Bjarne Stroustrup博士在這里也談到了他的觀點(diǎn)，主要有兩點(diǎn)：其一，C-Like的cast極具破壞性并且在代碼文本上也難得花不少力氣搜索到它；其二，新式的cast使得程序員更有目的使用它們并且讓編譯器能夠發(fā)現(xiàn)更多的錯(cuò)誤；其三，新的cast符合模板聲明規(guī)范，可以讓程序員編寫它們自己的cast。

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