C++ 强制类型转换:static_cast、dynamic_cast、const_cast 和 reinterpret_cast

C++ 强制类型转换:static_cast、dynamic_cast、const_cast 和 reinterpret_cast

  • static_cast
  • dynamic_cast
  • const_cast
  • reinterpret_cast

static_cast

static_cast<type-id>(expression)

expression 转换为 type-id 类型。static_cast 是静态类型转换,发生在编译期。这种转换不会进行运行时的动态检查(RTTI),因而这种转换可能是不安全的。static_cast 典型应用场景如下:

1. 类的层级结构中,基类和子类之间指针或者引用的转换。

上行转换(Upcasting),也即子类像基类方向转换,是安全的。
下行转换(Downcasting),也即基类向子类方向转换,是不安全的,需要程序员自行保证安全转换。

下面举例说明:

class A {
public:
  virtual void func() {
    std::cout << "A::func()" << std::endl;
  } 
};
class B : public A {
public:
  virtual void func() {
    std::cout << "B::func()" << std::endl;
  }
  void print() {
    std::cout << "B::print()" << std::endl;
  }
};

对于上行转换,肯定是安全的。

  B* pb = new B();
  A* pa = static_cast<A*>(pa);
  pa->func();

对于下行转换:

  A* pa = new B();
  B* pb = static_cast<B*>(pa);
  pb->print();

这里,A* pa = new B();,由于 C++ 的多态的支持,可以使用基类指针指向子类。这里的转换是安全的,因为 pa 初始化就指向的就是 B。而下面的转换则是不安全的:

  A* pa = new A();
  B* pb = static_cast<B*>(pa);
  pb->print();

此外,对于两个不存在继承关系的两个类之间转换,总是失败的,编译器报错:

#include 
    
class A {
    virtual void func(){}
};
class B {
    virtual void func(){}
};

int main(){
    A* pa = new A();
    B* pb = static_cast<B*>(pa); 
    return 0;
}

2. 基本数据类型间的转换。这种转换也是不安全的,需要程序员自行保证安全转换。 例如 intshort,直接高位截断;而 shortint 则高位根据符号位填充。两种不同类型指针间相互转换是相当危险的,例如 int*float*。将 int 转换为指针类型也是危险的转换,例如 float* p = static_cast(0X2edf);

3. 将 void 类型转换为其他类型的指针。 显然这种转换也是不安全的,需要程序员自行保证安全转换。

4. 把其他类型转换为 void 类型。

  1. 有转换构造函数或者类型转换函数的类与其它类型之间的转换。例如:
#include 

class Point{
public:
    Point(double x, double y): m_x(x), m_y(y){ }
    Point(double& x): m_x(x), m_y(1.1){ }
public:
    operator double() const { return m_x; }  //类型转换函数
    void print() {
        std::cout << "m_x: " << m_x << "  m_y: " << m_y << std::endl;
    }
private:
    double m_x;
    double m_y;
};
int main() {
    Point p1(12.5, 23.8);
    double x= static_cast<double>(p1);
    // std::cout << x << std::endl;
    Point p2 = static_cast<Point>(x);
    // p2.print();
    return 0;
}

dynamic_cast

dynamic_cast<type-id>(expression)

expression 转换为 type-id 类型,type-id 必须是类的指针、类的引用或者是 void *;如果 type-id 是指针类型,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。

dynamic_cast 提供了运行时的检查。对于指针类型,在运行时会检查 expression 是否真正的指向一个 type-id 类型的对象,如果是,则能进行正确的转换;否则返回 nullptr。对于引用类型,若是无效转换,则在运行时会抛出异常 std::bad_cast

T1 obj;
T2* pObj = dynamic_cast<T2*>(&obj);    // 无效转换返回 nullptr
T2& refObj = dynamic_cast<T2&>(obj);   // 无效转换抛出 bad_cast 异常

上行转换:其实和 static_cast 是一样的,一般肯定能成功。例如前面用到的例子:

// A->B
B* pb = new B();
A* pa = static_cast<A*>(pa);  

但是,下面这种继承关系会转换失败:

#include 
/*    A
     / \
    V  V
    B  C
     \/
     v
     D   */
    
class A {
    virtual void func(){}
};
class B : public A {
    void func(){}
};
class C : public A {
    void func(){}
};
class D : public B, public C {
    void func(){}
};
int main(){
    D* pd = new D();
    A* pa = dynamic_cast<A*>(pd);
    return 0;
}

上面这个例子,虽然也是上行转换,但是存在两条路径,在 B 和 C 都继承于 A,并且有虚函数实现,上行转换不知道从哪条路径进行转换。下面的写法则没问题:

  D* pd = new D();
  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);
  A* pa = dynamic_cast<A*>(pb);

下行转换:看个例子。

#include 
    
class A {
    virtual void func(){}
};
class B : public A {
    void func(){}
};

int main(){
    A* pa1 = new B();
    A* pa2 = new A();
    B *pb1 = dynamic_cast<B*>(pa1); // ok
    B *pb2 = dynamic_cast<B*>(pa2); // pb2 is a nullptr!
    return 0;
}

其实 dynamic_cast 本质只支持上行转换,只会沿着继承链向上遍历,找到目标类型则转换成功,否则失败。dynamic_cast 看似支持下行转换,这都是多态的缘故。上面的例子,pa1 虽然类型是 A,但实际指向 B,沿着 B 向上可以找到 B,因为第一个转换可以成功。而 pa2 指向 A,沿着 A 向上找不到 B 类型,因而转换失败。

因而在有继承关系的类的转换时候, static_cast 转换总是成功的, dynamic_cast 显然比 static_cast 更加安全。

const_cast

const_cast 用来去掉表达式的 const 修饰或 volatile 修饰,也就是将 constvolatile 类型转换为非 const 或 非 volatile 类型。

#include 
int main(){
    const int n = 111;
    int *p = const_cast<int*>(&n);
    *p = 222;
    std::cout<< "n = " << n << std::endl;
    std::cout<< "*p = " << *p << std::endl;
    return 0;
}

这里需要注意:按照正常理解,n 的打印值应该是 222。但是,由于编译器的常量传播优化,std::cout<< "n = " << n << std::endl; 会被编译器替换成类似 std::cout<< "n = " << 111 << std::endl; 的语义。

reinterpret_cast

reinterpret_cast 转换直接对二进制位按照目标类型重新解释,非常粗暴,所以风险很高,慎重使用。

#include 

int main(){
    char str[]="hello world!";
    float *p = reinterpret_cast<float*>(str);
    std::cout << *p << std::endl;  // 1.14314e+27
    return 0;
}

至此,本文结束。

你可能感兴趣的:(C++,c++,强制类型转换,static_cast,dynamic_cast,const_cast)