关于C++中的类型转换操作符

关于C++中的类型转换操作符
本文对四种标准C++的类型转换符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast进行了介绍，通过本文应当能够理解这四个类型转换操作符的含义。

内容简介：
有四种标准C++的类型转换符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast。
dynamic_cast:动态类型转换，一般用在父类和子类指针或应用的互相转化;
static_cast:静态类型转换，一般是普通数据类型转换(如int m=static_cast<int>(3.14));
reinterpret_cast:重新解释类型转换，很像c的一般类型转换操作;
const_cast:常量类型转换，是把cosnt或volatile属性去掉。
下面将依次对它们进行相对详细地介绍。

主要内容：
一、static_cast
二、dynamic_cast
三、reinterpret_cast
四、const_cast
五、其它

一、static_cast
=====================
支持子类指针到父类指针的转换，并根据实际情况调整指针的值，反过来也支持，但会给出编译警告，它作用最类似C风格的“强制转换”，一般来说可认为它是安全的。
用法：static_cast < type-id > ( expression )
[功能]
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。

[描述]
主要有如下几种用法：
(a)用于类层次结构中基类（父类）和派生类（子类）之间指针或引用的转换。
进行上行转换（把派生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派生类表示）时，由于没有动态类型检查，所以是不安全的。
(b)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。
(c)把空指针转换成目标类型的空指针。
(d)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。

[举例]
这里，关于static_cast的使用举例，通过与reinterpret_cast的例子进行对比，容易理解，所以参见后面reinterpret_cast的使用举例部分中对static_cast的使用方法。

二、dynamic_cast
=====================
用法：dynamic_cast < type-id > ( expression )

[功能]
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 *。

[描述]
支持子类指针到父类指针的转换，并根据实际情况调整指针的值，和static_cast不同，反过来它就不支持了，会导致编译错误，这种转换是最安全的转换。
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。
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。

[举例]
1)在类层次间进行转换
代码如下：
class B{
public:
       int m_iNum;
       virtual void foo();
};

class D:public B{
    public:
       char *m_szName[100];
};

void func(B *pb){
    D *pd1 = static_cast<D *>(pb);
    D *pd2 = dynamic_cast<D *>(pb);
}

这里可见，使用dynamic_cast进行转换，如果出现了把指向父类对象的指针，转换成了子类的指针的时候，就会返回空值。
在上面的代码段中，如果pb指向一个D类型的对象，pd1和pd2是一样的，并且对这两个指针执行D类型的任何操作都是安全的；但是，如果pb指向的是一个B类型的对象，那么pd1将是一个指向该对象的指针，对它进行D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。
另外要注意：B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<Inside c++ object model>）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。

2)类之间的交叉转换
代码如下：
class A{
public:
        int m_iNum;
        virtual void f(){}
};

class B:public A{
};

class D:public A{
};

void foo(){
    B *pb = new B;
    pb->m_iNum = 100;

    D *pd1 = static_cast<D *>(pb);    //compile error???实践好象没有编译错误
    D *pd2 = dynamic_cast<D *>(pb); //pd2 is NULL
    delete pb;
}
这里，可见，如果出现了交叉转换的情况那么dynamic_cast将会返回空值。
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。

三、reinterpret_cast
=====================
用法：reinterpret_cast<type-id> (expression)

[功能]
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）。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。

[描述]
reinterpret_cast是C++里的强制类型转换符，支持任何转换，但仅仅是如它的名字所描述的“重解释”而已。也就是说：操作符修改了操作数类型,但仅仅是重新解释了给出的对象的比特模型而没有进行二进制转换。例如：
int *n= new int;
double *d=reinterpret_cast<double*> (n);
在进行计算以后, d包含无用值.这是因为reinterpret_cast仅仅是复制n的比特位到d, 没有进行必要的分析。

reinterpret_cast是为了映射到一个完全不同类型的意思，这个关键词在我们需要把类型映射回原有类型时用到它。我们映射到的类型仅仅是为了故弄玄虚和其他目的，这是所有映射中最危险的(C++编程思想中的原话)。将static_cast和reinterpret_cast对比一下进行解释，比较容易理解：static_cast 和 reinterpret_cast 操作符修改了操作数类型，但是reinterpret_cast 仅仅是重新解释了给出的对象的比特模型而没有进行二进制转换。例如：
int n=9;
double d=static_cast<double>(n);
上面的例子中, 我们将一个变量从int转换到double。这些类型的二进制表达式是不同的,所以将整数9转换到双精度整数9，static_cast需要正确地为双精度整数d补足比特位。其结果为 9.0。而reinterpret_cast 的行为却不同:
int n=9;
double d=reinterpret_cast<double & >(n);
这里, 和static_cast不同，在进行计算以后, d包含无用值。这是因为reinterpret_cast仅仅是复制n的比特位到d, 没有进行必要的分析.
因此, 需要谨慎使用 reinterpret_cast。

[举例]
这个例子，将static_cast和reinterpret_cast对比进行测试，具体的输出参见其中的注释。
  1 #include <iostream>
  2 using std::cout;
  3 using std::endl;
  4 class CBaseX
  5 {
  6     public:
  7         int x;
  8         CBaseX() { x = 10; }
  9         void foo() { printf("CBaseX::foo() x=%d/n", x); }
10 };
11 class CBaseY
12 {
13     public:
14         int y;
15         int* py;
16         CBaseY() { y = 20; py = &y; }
17         void bar() { printf("CBaseY::bar() y=%d, *py=%d/n", y, *py);}
18 };
19 class CDerived : public CBaseX, public CBaseY
20 {
21     public:
22         int z;
23 };
24
25 int main(int argc, char *argv[])
26 {
27     float f = 12.3;
28     float* pf = &f;
29
30     //基本类型的转换
31     cout<<"=================Basic Cast================="<<endl;
32     //======static cast<>的使用:
33     int n = static_cast<int>(f); //成功编译
34     cout<<"n is :"<<n<<endl;//n = 12
35     //int* pn = static_cast<int*>(pf);//编译错误，指向的类型是无关的,不能将指针指向无关的类型
36     void* pv = static_cast<void*>(pf);//编译成功
37     int* pn2 = static_cast<int*>(pv);//成功编译, 但是 *pn2是无意义的内存（rubbish）
38     cout<<"pf is:"<<pf<<",pv is:"<<pv<<",pn2 is:"<<pn2<<endl;//三者值一样
39     cout<<"*pf is:"<<*pf<<",*pn2 is:"<<*pn2<<endl;//pf=12.3,pn2是无用值，注意无法使用"*pv"因为编译错。
40
41     //======reinterpret_cast<>的使用:
42     //int i = reinterpret_cast<int>(f);//编译错误，类型‘float’到类型‘int’的转换无效.
43     //成功编译, 但是 *pn 实际上是无意义的内存,和 *pn2一样
44     int* pi = reinterpret_cast<int*>(pf);
45     cout<<"pf is:"<<pf<<",pi is:"<<pi<<endl;//值一样
46     cout<<"*pf is:"<<*pf<<",*pi is:"<<*pi<<endl;//pi是无用值，和pn2一样。
47
48
49     //对象类型的转换
50     cout<<"=================Class Cast================="<<endl;
51     CBaseX cx;
52     CBaseY cy;
53     CDerived cd;
54
55     CDerived* pD = &cd;
56     CBaseX *pX = &cx;
57     CBaseY *pY = &cy;
58     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<endl;
59
60     //======static_cast<>的使用:
61     CBaseY* pY1 = pD;  //隐式static_cast转换
62     //不一样是因为多继承，pD还要前移动以便也指向CBaseX.
63     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* pY1 = "<<pY1<<endl;//pY1=pD+4!!!!!!
64
65     //CDerived* pD1 = pY1;//编译错误,类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CDerived*’ 的转换无效
66     CDerived* pD1 = static_cast<CDerived*>(pY1);//成功编译
67     cout<<"CDerived* pD1 = "<<pD1<<endl;//现在 pD1 = pD
68
69     //pX = static_cast<CBaseX*>(pY);//编译错误，从类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CBaseX*’ 中的 static_cast 无效。
70     pD1 = static_cast<CDerived*>(pY);//竟然可以编译通过!!!!!!
71     cout<<"CDerived* pD1 = "<<pD1<<",CBaseY *pY = "<<pY<<endl;//现在 pD1 = pY-4
72     //======reinterpret_cast<>的使用:
73     CBaseY* pY2 = reinterpret_cast<CBaseY*>(pD);// 成功编译, 但是 pY2 不是 CBaseY*
74     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* pY2 = "<<pY2<<endl;//pY2=pD!!!!!!
75
76     //======通过void的转换注意：
77     CBaseY* ppY = pD;
78     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* ppY = "<<ppY<<endl;//ppY = pD + 4
79
80     void* ppV1 = ppY; //成功编译
81     cout<<"CBaseY* ppY = "<<ppY<<",void* ppV1 = "<<ppV1<<endl;//ppV1 = ppY
82
83     //CDerived* ppD2 = ppV1;//编译错误,类型‘void*’ 到类型 ‘CDerived*’的转换无效
84     CDerived* ppD2 = static_cast<CDerived*>(ppV1);
85     cout<<"CDerived* ppD2 = "<<ppD2<<endl;//ppD2 = ppY, 但是我们预期 ppD2 = ppY - 4 = pD
86     //ppD2->bar();//系统崩溃,段错误
87     return 0;
88 }
这里，需要注意的地方是:
*第63行中基类指针pY1被赋予子类指针pD后，pY1=pD+4而不是pD，因为pD是多继承，pD还要前移动以便也指向CBaseX.内存布局大致如下：
       +CDerived------------------+
       |   +CBase X--------+      |\
       |   |  int x        |      | 4 bytes
       |   +---------------+      |/
       |                          |
       |   +CBase Y--------+      |
       |   |  int y,*py    |      |
       |   +---------------+      |
       +--------------------------+
*第69行和70行的可以将父类指针用static_cast强制转换成子类指针，但是两个无关的类的指针之间却不能转换。
*第74行中使用reinterpret_cast将子类指针强制转换赋给父类指针后，却没有像static_cast那样将父类指针位置调整以指向正确的对象位置，这样导致虽然两者值是一样的，但是父指针所指向的内容却不是父对象了。
*第76行之后使用void将子类转换成父类再转回子类，却无法使用了。
因为任何指针可以被转换到void*，而void*可以被向后转换到任何指针（对于static_cast<> 和 reinterpret_cast<>转换都可以这样做），如果没有小心处理的话错误可能发生。一旦我们已经转换指针为void*，我们就不能轻易将其转换回原类所以使用void转换的时候一定要小心。在上面的例子中，从一个void* 返回CDerived*的唯一方法是将其转换为CBaseY*然后再转换为CDerived*。但是如果我们不能确定它是CBaseY* 还是 CDerived*，这时我们不得不用dynamic_cast<> 或typeid[2](dynamic_cast<>需要类成为多态，即包括“虚”函数，并因此而不能成为void*)。

[其它]
dynamic_cast<>，从另一方面来说，可以防止一个泛型CBaseY* 被转换到CDerived*。 

四、const_cast
=====================
用法：const_cast<type_id> (expression)

[功能]
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。

[描述]
const_cast剥离一个对象的const属性，允许对常量进行修改。
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。
Voiatile和const类似。参见后面的例子可以了解更多信息。

[举例]
给出的源代码如下：
  1 #include <iostream>
  2 using std::cout;
  3 using std::endl;
  4
  5 class CTest
  6 {
  7     public:
  8         CTest(int i){m_val = i;cout<<"construction"<<m_val<<endl;}
  9         ~CTest(){cout<<"destructionn"<<endl;}
10         void SelfAdd(){m_val++;};
11         int m_val;
12 };
13
14 int main(int argc, char *argv[])
15 {
16     const int ic = 100;
17     //int cc = const_cast<int>(ic);//编译错误
18     int cc = const_cast<int&>(ic);
19     cout<<cc<<endl;//输出100
20     //const_cast<int &>(&ic)=200;//编译错误，从类型 ‘const int*’ 到类型 ‘int&’ 中的 const_cast 无效
21     const_cast<int &>(ic)=200;
22     cout<<ic<<endl;//输出100
23     cout<<*(&ic)<<endl;//输出100
24     //int *pc = &ic;//编译错误，从类型 ‘const int*’ 到类型 ‘int*’ 的转换无效
25     const int *pc=&ic;
26     //const_cast<int &>(pc)=200;//编译错误，从类型 ‘const int**’ 到类型 ‘int*’ 中的 const_cast 无效
27     const_cast<int &>(ic)=200;
28     //printf("%d,%d/n", ic, *pc);
29     cout<<ic<<','<<*pc<<endl;//100,200
30     //int *ppc = const_cast<int*>(ic);//编译错误
31     int *ppc = const_cast<int*>(&ic);
32     *ppc = 300;
33     cout<<ic<<','<<*ppc<<endl;//100,300
34
35     const CTest test(1000);
36     CTest test2(1050);
37     //test = test2;//编译错误，无法给常量赋值
38     const_cast<CTest &>(test)= test2;
39     cout<<test.m_val<<endl;//输出1050
40 }

这里，结果输出参见每行代码相应的注释。根据结果可知：凡是对结构体或类进行这个转换，都是成功的，但对char，short等基本类型的转换，通过直接打印变量显示其值都是不成功的，但是通过指针却能显示出修改之后的值。
通过对代码进行反汇编，可知，虽然本身我们没有使用优化，但系统还是对ic这个const进行了预编译般的替换，将它替换成“64h”（十六进制的64就是十进制的100），这肯定不是一般用户想要的结果，如果它不是一个C++的规范，应该算是个C++的bug吧。

[其他]
注意，
(1)操作对象
const_cast操作的对象必须是pointer, reference, nor a pointer-to-data-member type，如下代码是错误的：
const int a = 5;
int aa = const_cast<int>(a);
而使用引用的方式,如下却是正确的：
const int a = 5;
int aa = const_cast<int&>(a);

(2)可能的误解
可能上面的描述有误解的地方，根据参考资料中的一个评论，说：const_cast只能修改变量的常引用的const属性，和变量的常指针的const属性，还有对象的const属性。要想改变常量本身的值是不可能的，也就是说，你改变的是引用的const属性，而不是常量本身的const属性。估计 const int ic = 100; 定义的时候就已经将这个基础类型对象放入常量符号表里面了，永远不会改变它的值。

五、其它
=====================
做为一个对前面所说的四种类型转换操作符的补充，对它们之间的区别大致进行说明一下，如下：
1，static_cast和dynamic_cast的对比：
1)static_cast在编译期间发现错误。
对于基本类型，
它不允许将一种类型的指针指向另一种类型,所以如下代码是错误的：
float f = 12.3;
float* pf = &f;
int* pn = static_cast<int*>(pf);//编译错误，指向的类型是无关的,不能将指针指向无关的类型
对于复合类型（例如类），
它允许转换子对象地址赋值给父指针，也允许转换父对象地址赋值给子指针，但是不允许两个无关的类之间的转换，所以如下是错误的：
CBaseX *pX = &cx;
CBaseY *pY = &cy;
pX = static_cast<CBaseX*>(pY);//编译错误，从类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CBaseX*’ 中的 static_cast 无效。

2)dynamic_cast在运行期间发生错误，它只允许它允许转换子对象地址赋值给父指针，其它情况都返回空。
例如:
    B *pb = new B;
    D *pd = dynamic_cast<D *>(pb); //pd is NULL
    delete pb;

2，static_cast，dynamic_cast和reinterpret_cast之间的对比：
1)static_cast和dynamic_cast可以执行指针到指针的转换，或实例本身到实例本身的转换，但不能在实例和指针之间转换。static_cast只能提供编译时的类型安全，而dynamic_cast可以提供运行时类型安全。举个例子：
class a；class b:a；class c。
上面三个类a是基类，b继承a，c和a,b没有关系。假设有一个函数void function(a&a);现在有一个对象是b的实例b，一个c的实例c。function(static_cast<a&>(b)可以通过而function(static<a&>(c))不能通过编译，因为在编译的时候编译器已经知道c和a的类型不符，因此static_cast可以保证安全。
2)reinterpret_cast可以转换任意一个32bit整数，包括所有的指针和整数。可以把任何整数转成指针，也可以把任何指针转成整数，以及把指针转化为任意类型的指针，威力最为强大！但不能将非32bit的实例转成指针。总之，只要是32bit的东东，怎么转都行！对于刚刚说的例子，下面我们骗一下编译器，先把c转成类型a
b& ref_b = reinterpret_cast<b&>c;
这样，function(static_cast<a&>(ref_b))就通过了！因为从编译器的角度来看，在编译时并不能知道ref_b实际上是c！而function(dynamic_cast<a&>(ref_b))编译时也能过，但在运行时就失败了，因为dynamic_cast在运行时检查了ref_b的实际类型，这样怎么也骗不过去了。
在应用多态编程时，当我们无法确定传过来的对象的实际类型时使用dynamic_cast，如果能保证对象的实际类型，用static_cast就可以了。至于reinterpret_cast很象c语言那样的暴力转换。

参考资料：
http://zhidao.baidu.com/question/81318972.html
http://blog.csdn.net/guogangj/article/details/1545119
http://zhidao.baidu.com/question/212970514.html
http://blog.csdn.net/deyili/article/details/5354242

以上是从网上搜集的，以及根据自己的理解对C++中四种操作符号的总结，如有不准确的地方，感谢读者的告知。^_^
作者：QuietHeart
Email：[email protected]
日期：2011年7月12日