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

static_cast

static_cast<type-id>(expression)

将 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 int 转 short，直接高位截断；而 short 转 int 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* 转 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。

5. 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)

把 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 const 或 volatile 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。