C++ 四种强制类型转换符详解

前言

C++的强制类型转换对类型转换做了细分，提供了四种不同类型转换，以支持不同需求的转换；类型转换有了统一的标示符，利于代码排查和检视。这四种类型转换是：static_case(静态转换)、dynamic_cast(动态转换)、const_cast(常量转换)和reinterpret_cast(不相关类型的转换)。
下面分别来介绍这四种转换：static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast，它们都是类模板。

格式均为：xx_cast(expression) ，其中type-id-要转换成什么类型，expression-被转换类型的目标变量

static_case和dynamic_cast

类的继承关系图

从图中可知，派生类不仅会继承基类中可继承的方法和属性，还有自身的方法和属性。
当我们从派生类向基类转换时，也就是上行转换，static_case和dynamic_cast这两种方法都是能安全转换的。但是当向下转换类型，也就是我们从基类向派生类转换，当我们采用传统的C语言和c++转换时，就会出现意想不到的情况，因为转换后派生类自己的方法和属性丢失了，一旦我们去调用派生类的方法和属性那就糟糕了，而dynamic_cast这种强制转换内部提供了安全的转换，解决了这种问题。其内部实现可参考passion_wu128 的这篇博客。
以下则主要讲static_case和dynamic_cast的用法和特点。

static_case

（1）使用场景

1 在基本数据类型之间转换，如把 int 转换为 char，这种带来安全性问题由程序员来保证；

2 把空指针转换成目标类型的空指针。

3 用于类层次结构中基类和派生类之间指针或引用的转换。
上行转换（派生类---->基类）是安全的；
下行转换（基类---->派生类）由于没有动态类型检查，所以是不安全的。
4 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、volatile、或者__unaligned属性

（2）使用特点

主要执行非多态的转换操作，用于代替C中通常的转换操作。
隐式转换都建议使用 static_cast 进行标明和替换。
不能使用 static_cast 在有类型指针内转换。

类上行和下行转换举例：

class Base
{};

class Derived : public Base
{}；

Base* pB = new Base();
//用static_cast的下行转换，不安全
if(Derived* pD = static_cast(pB)){}

Derived* pD = new Derived();
//上行转换，安全
if(Base* pB = static_cast(pD)){}

dynamic_cast

（1）使用场景

主要用于将一个父类的指针/引用转化为子类的指针/引用（下行转换）。
注：由于这个dynamic_cast要耗费重大的运行成本，应避免频繁使用。

（2）使用特点

1 基类必须要有虚函数，因为 dynamic_cast 是运行时类型检查，需要运行时类型信息，而这个信息是存储在类的虚函数表中。
2 对于下行转换，dynamic_cast 是安全的（当类型不一致时，转换过来的是空指针），而 static_cast 是不安全的。
3 对指针进行 dynamic_cast，失败返回 NULL，成功返回正常 cast 后的对象指针；对引用进行 dynamic_cast，失败抛出一个异常，成功返回正常 cast 后的对象引用。

（3）转换方式：

dynamic_cast< type* >(e)//type必须是一个类类型且必须是一个有效的指针
dynamic_cast< type& >(e)//type必须是一个类类型且必须是一个左值
dynamic_cast< type&& >(e)//type必须是一个类类型且必须是一个右值

e的类型必须符合以下三个条件中的任何一个：
1、e的类型是目标类型type的公有派生类
2、e的类型是目标type的共有基类
3、e的类型就是目标type的类型。

如果一条dynamic_cast语句的转换目标是指针类型并且失败了，则结果为0。如果转换目标是引用类型并且失败了，则dynamic_cast运算符将抛出一个std::bad_cast异常(该异常定义在typeinfo标准库头文件中)。e也可以是一个空指针，结果是所需类型的空指针。

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（cross cast）。

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。

代码举例：

#include 

using namespace std;

class CBase    // 基类(父类)
{
public:
    // dynamic_cast在将父类cast到子类时，父类必须要有虚函数
    virtual int test() { return 0; } // 一定要是 virtual
};

class CDerived : public CBase  // 派生类(子类)
{
public:
    int test() { return 1; }
};

int main()
{
    CBase *p_CBase = new CBase;  // 基类对象指针
    CDerived *p_CDerived = dynamic_cast(p_CBase);  // 将基类对象指针类型转换为派生类对象指针

    CBase i_CBase;    // 创建基类对象
    CBase &r_CBase = i_CBase;    // 基类对象的引用
    CDerived &r_CDerived = dynamic_cast(r_CBase);  // 将基类对象的引用转换派生类对象的引用
}

const_cast

表达式const_cast(a)被用于从一个类中去除以下这些属性：const, volatile, 和 __unaligned。其中T和a必须是相同的类型。
class A { };
void f()
{
const A *pa = new A;//const对象
A pb;//非const对象
//pb = pa; // 这里将出错，不能将const对象指针赋值给非const对象
pb = const_cast>(pa); // 现在OK了
…
}
对于本身定义时为const的类型，即使你去掉const性，在你操作这片内容时候也要小心，只能读不能写操作，否则还是会出错。
const_cast操作不能在不同的种类间转换。相反，它仅仅把一个它作用的表达式转换成常量。它可以使一个本来不是const类型的数据转换成const类型的，或者把const属性去掉。

reinterpret_cast

reinterpret_cast运算符是用来处理无关类型之间的转换；它会产生一个新的值，这个值会有与原始参数（expressoin）有完全相同的比特位。

static_cast 和 reinterpret_cast 的用法和区别： static_cast 运算符完成相关类型之间的转换. 而 reinterpret_cast 处理互不相关的类型之间的转换.

所谓"相关类型"指的是从逻辑上来说,多多少少还有那么一点联系的类型,比如从 double 到 int,我们知道它们之间还是有联系的,只是精度差异而已,使用 static_cast 就是告诉编译器:我知道会引起精度损失,但是我不在乎. 又如从 void* 到 具体类型指针像 char*,从语义上我们知道 void* 可以是任意类型的指针,当然也有可能是 char* 型的指针,这就是所谓的"多多少少还有那么一点联系"的意思. 又如从派生类层次中的上行转换(即从派生类指针到基类指针,因为是安全的,所以可以用隐式类型转换)或者下行转换(不安全,应该用 dynamic_cast 代替).对于static_cast操作符,如果需要截断,补齐或者指针偏移编译器都会自动完成.注意这一点,是和 reinterpret_cast 的一个根本区别.reinterpret_cast做转换时编译器不会做任何检查,截断,补齐的操作,只是把比特位拷贝过去.所以 reinterpret_cast 常常被用作不同类型指针间的相互转换,因为所有类型的指针的长度都是一致的,按比特位拷贝后不会损失数据.