C++强制类型转换总结

C/C++是有类型语言，在表达式计算，表达式赋值和函数调用时都会发生各种类型转换。很多场合下，为了使上述类型转换合法、有效且满足特定需求，我们需要对表达式执行显式的类型转换。在这样的场合，如何选择合适的转换函数，是我们不得不面对的一个问题。本篇我们总结整理了cpp文档，对cpp中四种cast接口：const_cast、static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast进行了简要的总结。

const_cast

const_cast<new_type>(exp: type)：在有不同const，volatile限定符的类型间转换。

• 功能：移除表达式的常量性和易变性。 例如调用某个形参为const T &的函数时，希望以（non-const）T类型作为参数。

• 分类：

  • new_type和type为指向同一类型的指针，但是拥有不同的const，volatile限定符。
  • 空指针值可转换成new_type的空指针值。

• 常用例子：

  void Double(int & a) {
  	cout << a << endl;
  	a =  a * 2;
  	cout << a << endl;
  }
  
  int main(void) {
  	const int tmp = 1;
  	Double(const_cast<int &>(tmp));
  }
  

static_cast

static_cast<new_type>(exp: type)： 用隐式转换和用户定义转换的组合在类型间转换。

• 功能：显式、静态地执行隐式类型转换和用户定义的转换，不进行运行时检查。

• 分类:

  • 隐式类型转换和大部分隐式转换的逆转换。
  • 初始化转换： 存在初始化函数 new_type(type)。
  • 子类到非虚父类的静态转换。
  • 左值到右值，数组到指针，函数到指针。
  • 弃值表达式：new_type为void。
  • void * 到任何类型。

• 常用例子：

  int n = static_cast<int>(3.14);  //float 转 int
  std::vector<int> v = static_cast<std::vector<int>>(10); // 初始化转换
  
  std::vector<int> v2 = static_cast<std::vector<int>&&>(v); //左值到右值
  
  static_cast<void>(v2.size()); //弃值表达式
  
  void* voidp = &n;
  std::vector<int>* p = static_cast<std::vector<int>*>(voidp); // void*转其他
  

dynamic_cast

dynamic_cast<new_type >(exp：type)：沿继承层级向上、向下及侧向，安全地转换到其他类的指针和引用。

• 功能：在进行继承层级上的转换时，执行运行时检查，保证转型的安全性。

• 分类：

  • 向下转型: type是new_type的公有基类，且从原对象中只能推导出一个new_type对象。
  • 侧向转型: type和new_type相互无继承关系，但type和new_type都是原对象的公有基类。
  • 向上转型: new_type是type的公有基类，可直接使用隐式类型转换或者static_cast。
  • badcast: 均不满足，指向new_type的空指针。

• 常用例子：

  //           |--A--|
  // 虚基类 V-->|     |-->D 继承关系表明：D同时继承了A、B
  //           |--B--|
  A& a = d; // 向上转型，可以用 dynamic_cast，但不必须
  D& new_d = dynamic_cast<D&>(a); // 向下转型
  B& new_b = dynamic_cast<B&>(a); // 侧向转型
  

reinterpret_cast

reinterpret_cast<new_type>(exp: type)：通过重新解释底层位模式从而在类型间转换。

• 功能：基本在原地实现任何类型的互转（去除cv限定符除外），但不保证使用安全性。

• 分类：

  • 指针和整型互转：注意该整型需要保证size足够容纳指针数值。这同时包括：任何空指针(赋值为nullptr的指针)和空指针常量(nullptr)，可转换成任何整型类型。
  • 函数指针互转：函数指针之间的互转，不同类的成员函数指针的互转。
  • 其他：type类型的左值表达式可转换成new_type &（注意无tmp变量生成，不发生拷贝）；type * 可转 const/volatile new_type *; 任何具有空指针可转换为其他类型指针。

• 常用例子：

  // 指针到整数并转回
  int i = 7;
  std::uintptr_t v1 = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(&i);
  int* p1 = reinterpret_cast<int*>(v1);
  
  // 到另一函数指针并转回：已知f为 int f() { return 0;}
  void(*fp1)() = reinterpret_cast<void(*)()>(f); // fp1(); 未定义行为
  int(*fp2)() = reinterpret_cast<int(*)()>(fp1); // fp2(); 安全
  
  // int 转 unsigned int &
  reinterpret_cast<unsigned int&>(i) = 42;
  

四种Cast的对比

通过上面的总结，我们大致可以明白四种cast接口的区别可由其名称前缀区分。

• 仅const_cast可以将const、volatile类型的cv限定符去掉。
• 仅dynamic_cast会做运行时动态类型检查，它主要用于多态类型的继承层级互转。
• static_cast使用范围较广，安全性较高。但当支持多态类的继承关系转换时，不会做运行时检查，存在一定的安全性问题。注意用static_cast做转换时，生成的新对象是原对象的拷贝版本，只是执行了类型转换。
• reinterpret_cast在编译器层面解构了原类型，以新类型的观点去解释原类型的各个字节，故基本可以做任何类型转换，例如不同类型函数指针互转，指针与整型互转等等。与static_cast不同但与const_cast类似的是，这种转换不会对原值的执行拷贝，故若能正确转回原类型，便能恢复变成原对象。很明显，reinterpret_cast安全性问题较大。

参考资料

[1]. cppreference. https://en.cppreference.com/w/ 2020,2,22