C++类型转换运算符(dynamic_cast, const_cast, static_cast)

摘自以下图书:

1. 《C++ Primer Plus》Stephen Prata

在 C++的创始人 Bjame Stroustrup 看来，C 语言中的类型转换运算符太过松散。例如，请看下面的代码：

struct Data
{
	double data[200];
};
struct Junk
{
	int junk[100];
};
Data d = {2.5e33, 3.5e-19, 20.2e32};
char* pch = (char*)(&d); //type cast #1 - convert to string
char pch = char (&d);    //type cast #2 - convert address to a char
Junk* pj = (Junk*)(&d);  //type cast #3 - convert to Junk pointer

首先，上述 $3$ 种类型转换，哪一种是有意义的？除非不讲理，否则它们中没有一个是有意义的。其次，这 $3$ 中类型转换中哪种是允许的呢？在C语言中都是允许的。

对于这种松散情况，Stroustrup 采取的措施是，更严格地限制允许的类型转换，并添加 $4$ 个类型转换运算符，使转换过程更规范：

• dynamic_cast；
• const_cast；
• static_cast；
• reinterpret_cast。

可以根据目的选择一个适合的运算符，而不是使用通用的类型转换。这指出了类型转换的原因，并让编译器能够检査程序的行为是否与设计者想法吻合。

1. dynamic_cast

假设 High 和 Low 是两个类，而 ph 和 pl 类型分别为 High* 和 Low*，则仅当 Low 是 High 的可访问基类(直接或间接)时，下面的语句才将一个 Low* 指针赋给 pl：

pl = dynamic_cast ph；

否则，该语句将空指针赋给 pl。通常，该运算符的语法如下：
dynamic_cast< type-name > (expression)
该运算符的用途是，使得能够在类层次结构中进行向上转换（由于 is-a 关系，这样的类型转换是安全的），而不允许其他转换。

2. const_cast

const_cast 运算符用于执行只有一种用途的类型转换，即改变值为 const 或 volatile，其语法与 dynamic_cast 运算符相同：
const_cast< type-name > (expression)
如果类型的其他方面也被修改，则上述类型转换将出错。也就是说，除了 const 或 volatile 特征（有或无）可以不同外，type_name 和 expression 的类型必须相同。再次假设 High 和 Low 是两个类：

High bar;
const High* pbar = &bar;
  - - - 
High* pb = const_cast<High*>(pbar);  		 // valid
const Low* pl = const_cast<const Low*>(pbar);// invalid，High->Low

第一个类型转换使得 *pb 成为一个可用于修改 bar 对象值的指针，它删除 const 标签。第二个类型转换是非法的，因为它同时尝试将类型从 const High* 改为 const Low*。

提供该运算符的原因是，有时候可能需要这样一个值，它在大多数时候是常量，而有时又是可以修改的。在这种情况下，可以将这个值声明为 const，并在需要修改它的时候，使用 const_cast。这也可以通过通用类型转换来实现，但通用类型转换也可能同时改变类型：

High bar;
const High* pbar = &bar;
  - - - 
High* pb = (High*)(pbar);// valid
Low* pl = (Low*)(pbar); // also valid

由于编程时可能无意间同时改变类型和常量特征，因此使用 const_cast 运算符更安全。

const_cast 不是万能的。它可以修改指向一个值的指针，但修改 const 值的结果是不确定的。以下程序阐明了这一点：

#include 
using std::cout;
using std::endl;
void change(const int* pt, int n);

int main()
{
	int pop1 = 38383;
	const int pop2 = 2000;

	cout << "pop1, pop2: " << pop1 << ", " << pop2 << endl;
	change(&pop1, -103);
	change(&pop2, -103);
	cout << "pop1, pop2: " << pop1 << ", " << pop2 << endl;
	return 0;
}

void change(const int* pt, int n)
{
	int* pc;
	
	pc = const_cast<int*>(pt);
	*pc += n;
} 

const_cast 运算符可以删除 const int* pt 中的 const，使得编译器能够接收 change() 中的语句：

*pc += n;

但由于 pop2 被声明为 const，因此编译器可能禁止修改它，如下面的输出所示：

pop1, pop2: 38383， 2000
pop1, pop2: 38280， 2000

正如您看到的，调用 change() 时，修改了 pop1，但没有修改 pop2。在 change() 中，指针被声明为 const int*，因此不能用来修改指向的 int。指针 pc 删除了 const 特征，因此可用来修改指向的值，但仅当指向的值不是 const 时才行。因此，pc 可用于修改 pop1，但不能用于修改 pop2。

3. static_cast

static_cast 运算符的语法与其他类型转换符相同：
static_cast< type-name > (expression)
仅当 type_name 可被隐式转换为 expression 所属的类型或 expression 可被隐式转换为 type_name 所属的类型时，上述转换才是合法的，否则将出错。假设 High 是 Low 的基类，而 Pond 是一个无关的类，则从 High 到 Low 的转换、从 Low 到 High 的转换都是合法的，而从 Low 到 Pond 的转换是不允许的：

High bar;
Low blow;
  - - - 
High* pb = static_cast<High*>(&blow); // valid upcast
Low* pl = static_cast<Low*>(&bar); // valid downcast
Pond* pmer = static_cast<Pond*>(&blow); // invalid, Pond unrelated

第一种转换是合法的，因为向上转换可以显式地进行。第二种转换是从基类指针到派生类指针，在不进行显式类型转换的情况下，将无法进行。但由于无需进行类型转换，便可以进行另一个方向的类型转换，因此使用 static_cast 来进行向下转换是合法的。

同理，由于无需进行类型转换，枚举值就可以被转换为整型，所以可以用 static_cast 将整型转换为枚举值。同样，可以使用 static_cast 将 double 转换为 int、将 float 转换为 long 以及其他各种数值转换。

4. reinterpret_cast

reinterpret_cast 运算符用于天生危险的类型转换。它不允许删除 const， 但会执行其他令人生厌的操作。有时程序员必须做一些依赖于实现的、令人生厌的操作，使用 reinterpret_cast 运算符可以简化对这种行为的跟踪工作。该运算符的语法与另外 $3$ 个相同：
reinterpret_cast< type-name > (expression)
下面是一个使用示例：

struct dat {short a; short b;};
long value = 0xA224B118;
dat* pd = reinterpret_cast<dat*> (&value);
cout << hex << pd->a; // display first 2 bytes of value

通常，这样的转换适用于依赖于实现的底层编程程序，是不可移植的。例如，不同系统在存储多字节整型时，可能以不同的顺序存储其中的字节。

然而，reinterpret_cast 运算符并不支持所有的类型转换。例如，可以将指针类型转换为足以存储指针表示的整型，但不能将指针转换为更小的整型或浮点型。另一个限制是，不能将函数指针转换为数据指针，反之亦然。

在 C++ 中，普通类型转换也受到限制。基本上，可以执行其他类型转换可执行的操作，加上一些组合，如 static_cast 或 reinterpret_cast 后跟 const_cast，但不能执行其他转换。因此，下面的类型转换在 C 语言是允许的，但在 C++ 中通常不允许，因为对于大多数 C++ 实现，char 类型都太小，不能存储指针：

char ch = char (&d); // type cast #2 - convert address to a char

这些限制是合理的，如果您觉得这种限制难以忍受，可以使用 C 语言。