static_cast, dynamic_cast,const_cast和reinterpret_cast

1 转换类型

c++中的转换类型分为隐式转换和显示转换。

2 隐式转换

又称为标准转换，包括以下几种情况：
1）算数转换：在混合类型的算术表达式中，最快的数据类型成为目标转换类型。

int ival =3;
double dval = 3.14;
ival+dval;//ival会被转换成double类型

2)一种类型表达式赋值给另一种类型的对象：目标类型是被赋值对象的类型

int *pi = 0; // 0被转化为int *类型 
ival = dval; // double->int

例外：void指针赋值给其他指定类型指针时，不存在标准转换，编译出错
3)讲一个表达式作为实参传递给函数调用，此时形参和实参类型不一样：目标转换类型为形参的类型

extern double sqrt(double);
cout << "The square root of 2 is " << sqrt(2) << endl;
//2被提升为double类型：2.0

4)从一个函数返回一个表达式，表达式类型与返回类型不一致：目标转换类型为函数的返回类型

double difference(int ival1, int ival2)
{
    return ival1 - ival2;
    //返回值被提升为double类型
}

3 显示转换

被称为“强制类型转换”(cast)
C 风格： (type-id)
C++风格： static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast..

3.1 static_cast

• 用法：static_cast < type-id > ( expression )
• 说明：该运算符把expression转换为type-id类型，但没有运行时类型检查来保证转换的安全性。
• 来源：为什么需要static_cast强制转换？
  情况1：void指针->其他类型指针
  情况2：改变通常的标准转换
  情况3：避免出现可能多种转换的歧义

它主要有如下几种用法：

• 用于类层次结构中基类和子类之间指针或引用的转换。进行上行转换（把子类的指针或引用转换成基类表示）是安全的；进行下行转换（把基类指针或引用转换成子类指针或引用）时，由于没有动态类型检查，所以是不安全的。
• 用于基本数据类型之间的转换，如把int转换成char，把int转换成enum。这种转换的安全性也要开发人员来保证。
• 把void指针转换成目标类型的指针(不安全!!)
• 把任何类型的表达式转换成void类型。

注意：static_cast不能转换掉expression的const、volitale、或者__unaligned属性。

3.2 dynamic_cast

• 用法：dynamic_cast < type-id > ( expression )
• 说明：该运算符把expression转换成type-id类型的对象。Type-id必须是类的指针、类的引用或者void *；如果type-id是类指针类型，那么expression也必须是一个指针，如果type-id是一个引用，那么expression也必须是一个引用。
• 来源：为什么需要dynamic_cast强制转换？
  简单的说，当无法使用virtual函数的时候

典型案例：
Wicrosoft公司提供给我们一个类库，其中提供一个类Employee.以头文件Eemployee.h和类库.lib分发给用户
显然我们并无法得到类的实现的源代码

//Emplyee.h
class Employee {
public:
    virtual int salary();
};
class Manager : public Employee{
public: 
    int salary();
};
class Programmer : public Employee{
public:
    int salary();
};

我们公司在开发的时候建立有如下类:

classMyCompany{ 
public:
    void payroll(Employee *pe);
  //...
};
void MyCompany::payroll(Employee *pe){
    //do something  
}

但是开发到后期，我们希望能增加一个bonus()的成员函数到W$公司提供的类层次中。
假设我们知道源代码的情况下，很简单，增加虚函数, 但是现在情况是，我们并不能修改源代码，怎么办？dynamic_cast华丽登场了！
在Employee.h中增加bonus()声明，在另一个地方定义此函数，修改调用函数payroll().重新编译，ok

//Emplyee.h
class Employee {
public:
    virtual int salary();
};
class Manager : public Employee{
public: 
    int salary();
};
class Programmer : public Employee{
public:
    int salary();
    int bonus();//直接在这里扩展
};
//somewhere.cpp
int Programmer::bonus(){
    //define
}

class MyCompany{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};
void MyCompany::payroll(Employee *pe){
    Programmer *pm = dynamic_cast(pe);
    //如果pe实际指向一个Programmer对象,dynamic_cast成功，并且开始指向Programmer对象起始处
    if(pm)    {
        //call Programmer::bonus()
    }
    //如果pe不是实际指向Programmer对象，dynamic_cast失败，并且pm = 0
    else    {
        //use Employee member functions
    }
}

dynamic_cast主要用于类层次间的上行转换和下行转换，还可以用于类之间的交叉转换。
在类层次间进行上行转换时，dynamic_cast和static_cast的效果是一样的；在进行下行转换时，dynamic_cast具有类型检查的功能，比static_cast更安全。

class Base{
public:
    int m_iNum;
    virtual void foo();
};
class Derived:public Base{
public:
    char *m_szName[100];
};
void func(Base *pb){   
    Derived *pd1 = static_cast(pb);
    Derived *pd2 = dynamic_cast(pb);
}

在上面的代码段中，
如果pb实际指向一个Derived类型的对象，pd1和pd2是一样的，并且对这两个指针执行Derived类型的任何操作都是安全的；
如果pb实际指向的是一个Base类型的对象，那么pd1将是一个指向该对象的指针，对它进行Derived类型的操作将是不安全的（如访问m_szName），而pd2将是一个空指针(即0，因为dynamic_cast失败)。
另外要注意：Base要有虚函数，否则会编译出错；static_cast则没有这个限制。这是由于运行时类型检查需要运行时类型信息，而这个信息存储在类的虚函数表（关于虚函数表的概念，详细可见）中，只有定义了虚函数的类才有虚函数表，没有定义虚函数的类是没有虚函数表的。

另外，dynamic_cast还支持交叉转换（cross cast）。如下代码所示。

class Base{
public:
    int m_iNum;
    virtual void f(){}
};
class Derived1 : public Base{
};
class Derived2 : public Base{
};
void foo(){
    derived1 *pd1 = new Drived1;
    pd1->m_iNum = 100;
    Derived2 *pd2 = static_cast(pd1); //compile error
    Derived2 *pd2 = dynamic_cast(pd1); //pd2 is NULL
    delete pd1;
}

在函数foo中，使用static_cast进行转换是不被允许的，将在编译时出错；而使用 dynamic_cast的转换则是允许的，结果是空指针。

3.3 reinterpret_cast

• 用法：reinpreter_cast (expression)
• 说明：type-id必须是一个指针、引用、算术类型、函数指针或者成员指针。它可以把一个指针转换成一个整数，也可以把一个整数转换成一个指针（先把一个指针转换成一个整数，在把该整数转换成原类型的指针，还可以得到原先的指针值）。

3.4 const_cast

• 用法：const_cast (expression)
• 说明：该运算符用来修改类型的const或volatile属性。除了const 或volatile修饰之外， type_id和expression的类型是一样的。
• 常量指针被转化成非常量指针，并且仍然指向原来的对象；常量引用被转换成非常量引用，并且仍然指向原来的对象；常量对象被转换成非常量对象。

3.4.1 常量折叠

一个变量在使用const_cast去掉指针或者引用的const限定符后，“如果常量本身不是常量，获得的权限是合法的， 如果本身是常量，使用const_cast再写的后果是未定义的。有以下代码：

int main(){
    const int a = 1;
    int & b = const_cast(a);
    b = 2;
    cout << a ;
    cout << b;
    return 0;
}

会得到以下输出

image.png

然而，debug的时候却是这样

image.png

这种现象被称为常量折叠，就是在编译阶段，对该变量进行值替换。类似宏定义。同样的对于指针来说也是一样会出现未定义的行为。如下图：

image.png

image.png

3.4.1 使用const_cast去掉const限定符

只有当对象原本就是非常量时，才是正确的行为。

void func(const int& a)//形参为，引用指向const int{
    int& b = const_cast(a);//去掉const限定，因为原本为非常量
    b++;
    return;
}
int main(){
    int a = 100;
    func(a);
    cout << a << endl;  // 打印101
    return 0;
}

3.4.2使用const_cast添加const限定符

const string& shorter(const string& s1, const string& s2) {
    return s1.size() <= s2.size() ? s1 : s2;
}
string& shorter(string& s1, string& s2) {
    //重载调用到上一个函数，它已经写好了比较的逻辑
    auto &r = shorter(const_cast(s1), const_cast(s2));
    //auto等号右边为引用，类型会忽略掉引用
    return const_cast(r);
}

const string&版本函数为比较字符串长度的正确实现，因为比较长度时不会改变字符串，所以参数和返回值都为const。
当实参为const时，由于函数重载，会调用到const string&版本函数，这也是期望的结果。

但当实参为非const时，我们希望还是继续调用已经写好比较逻辑的const string&版本函数，但返回值希望返回string &，所以这里再封装一层函数。（这里一个知识点，函数重载是忽略返回值，且忽略形参的顶层const，可以这么理解，有顶层const的概念，说明参数是引用或指针，但我们主要关心的是指向的数据，所以要忽略顶层const）（因为参数忽略顶层const，所以重载时只关心底层const是否一样）
参考：https://blog.csdn.net/anlian523/article/details/95751762
https://www.cnblogs.com/chio/archive/2007/07/18/822389.html