C++: 四种强制类型转换

Posted 2021-09-04 滔滔就是我hia

一、const_cast

1、常量指针被转化成非常量的指针，并且仍然指向原来的对象；
2、常量引用被转换成非常量的引用，并且仍然指向原来的对象；
3、const_cast一般用于修改指针。如const char *p形式。

#include<iostream>

int main() {
    // 原始数组
    int ary[4] = { 1,2,3,4 };

    // 打印数据
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        std::cout << ary[i] << "\\t";
    std::cout << std::endl;

    // 常量化数组指针
    const int*c_ptr = ary;
    //c_ptr[1] = 233;   //error

    // 通过const_cast<Ty> 去常量
    int *ptr = const_cast<int*>(c_ptr);

    // 修改数据
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        ptr[i] += 1;    //pass

    // 打印修改后的数据
    for (int i = 0; i < 4; i++)
        std::cout << ary[i] << "\\t";
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

out print：

1   2   3   4
2   3   4   5

注意:对于在定义为常量的参数,使用const_cast可能会有不同的效果.类似代码如下

#include<iostream>
int main() {
    const int c_val = 233;  //声明为常量类型
    int &use_val = const_cast<int&>(c_val); //使用去const 引用
    int *ptr_val = const_cast<int*>(&c_val);//使用去const 指针

    use_val = 666;  //未定义行为
    std::cout << c_val << "\\t" << use_val << "\\t" << *ptr_val << std::endl;
    *ptr_val = 110; //未定义行为
    std::cout << c_val << "\\t" << use_val << "\\t" << *ptr_val << std::endl;
    return 0;
}

在 vs2017 下 输出为：

233 666 666
233 110 110

未定义行为:C++标准对此类行为没有做出明确规定.同一份代码在使用不同的编译器会有不同的效果.在 vs2017 下, 虽然代码中 c_val , use_val , ptr_val 看到的地址是一样的.但是c_val的值并没有改变.有可能在某种编译器实现后,这一份代码的c_val 会被改变.也有可能编译器对这类行为直接 error 或 warning.

二、static_cast

static_cast 作用和C语言风格强制转换的效果基本一样，由于没有运行时类型检查来保证转换的安全性，所以这类型的强制转换和C语言风格的强制转换都有安全隐患。
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。注意：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。
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。这种转换的安全性需要开发者来维护。
static_cast不能转换掉原有类型的const、volatile、或者 __unaligned属性。(前两种可以使用const_cast 来去除)
在c++ primer 中说道：c++ 的任何的隐式转换都是使用 static_cast 来实现。

/* 常规的使用方法 */
float f_pi=3.141592f
int   i_pi=static_cast<int>(f_pi); /// i_pi 的值为 3

/* class 的上下行转换 */
class Base{
    // something
};
class Sub:public Base{
    // something
}

//  上行 Sub -> Base
//编译通过，安全
Sub sub;
Base *base_ptr = static_cast<Base*>(&sub);  

//  下行 Base -> Sub
//编译通过，不安全
Base base;
Sub *sub_ptr = static_cast<Sub*>(&base);    

三、 dynamic_cast

dynamic_cast强制转换,应该是这四种中最特殊的一个,因为他涉及到面向对象的多态性和程序运行时的状态,也与编译器的属性设置有关.所以不能完全使用C语言的强制转换替代,它也是最常有用的,最不可缺少的一种强制转换.

#include<iostream>
using namespace std;

class Base{
public:
    Base() {}
    ~Base() {}
    void print() {
        std::cout << "I\'m Base" << endl;
    }
    virtual void i_am_virtual_foo() {}
};

class Sub: public Base{
public:
    Sub() {}
    ~Sub() {}
    void print() {
        std::cout << "I\'m Sub" << endl;
    }
    virtual void i_am_virtual_foo() {}
};
int main() {
    cout << "Sub->Base" << endl;
    Sub * sub = new Sub();
    sub->print();
    Base* sub2base = dynamic_cast<Base*>(sub);
    if (sub2base != nullptr) {
        sub2base->print();
    }
    cout << "<sub->base> sub2base val is: " << sub2base << endl;


    cout << endl << "Base->Sub" << endl;
    Base *base = new Base();
    base->print();
    Sub  *base2sub = dynamic_cast<Sub*>(base);
    if (base2sub != nullptr) {
        base2sub->print();
    }
    cout <<"<base->sub> base2sub val is: "<< base2sub << endl;

    delete sub;
    delete base;
    return 0;
}

vs2017 输出为：

Sub->Base
I\'m Sub
I\'m Base
<sub->base> sub2base val is: 00B9E080   // 注:这个地址是系统分配的,每次不一定一样

Base->Sub
I\'m Base
<base->sub> base2sub val is: 00000000   // VS2017的C++编译器,对此类错误的转换赋值为nullptr

从上边的代码和输出结果可以看出:
对于从子类到基类的指针转换 ,dynamic_cast 成功转换,没有什么运行异常,且达到预期结果
而从基类到子类的转换 , dynamic_cast 在转换时也没有报错,但是输出给 base2sub 是一个 nullptr ,说明dynami_cast 在程序运行时对类型转换对“运行期类型信息”（Runtime type information，RTTI）进行了检查.
这个检查主要来自虚函数(virtual function) 在C++的面对对象思想中，虚函数起到了很关键的作用，当一个类中拥有至少一个虚函数，那么编译器就会构建出一个虚函数表(virtual method table)来指示这些函数的地址，假如继承该类的子类定义并实现了一个同名并具有同样函数签名（function siguature）的方法重写了基类中的方法，那么虚函数表会将该函数指向新的地址。此时多态性就体现出来了：当我们将基类的指针或引用指向子类的对象的时候，调用方法时，就会顺着虚函数表找到对应子类的方法而非基类的方法。因此注意下代码中 Base 和 Sub 都有声明定义的一个虚函数 ” i_am_virtual_foo” ,我这份代码的 Base 和 Sub 使用 dynami_cast 转换时检查的运行期类型信息,可以说就是这个虚函数

四、reinterpret_cast

reinterpret_cast是强制类型转换符用来处理无关类型转换的，通常为操作数的位模式提供较低层次的重新解释！但是他仅仅是重新解释了给出的对象的比特模型，并没有进行二进制的转换！
他是用在任意的指针之间的转换，引用之间的转换，指针和足够大的int型之间的转换，整数到指针的转换，在在面的文章中将给出.
请看一个简单代码

#include<iostream>
#include<cstdint>
using namespace std;
int main() {
    int *ptr = new int(233);
    uint32_t ptr_addr = reinterpret_cast<uint32_t>(ptr);
    cout << "ptr 的地址: " << hex << ptr << endl
        << "ptr_addr 的值(hex): " << hex << ptr_addr << endl;
    delete ptr;
    return 0;
}
/*
ptr 的地址: 0061E6D8
ptr_addr 的值(hex): 0061e6d8
*/

上述代码将指针ptr的地址的值转换成了 unsigned int 类型的ptr_addr 的整数值.
提供下IBM C++ 对 reinterpret_cast 推荐使用的地方
A pointer to any integral type large enough to hold it （指针转向足够大的整数类型）
A value of integral or enumeration type to a pointer （从整形或者enum枚举类型转换为指针）
A pointer to a function to a pointer to a function of a different type （从指向函数的指针转向另一个不同类型的指向函数的指针）
A pointer to an object to a pointer to an object of a different type （从一个指向对象的指针转向另一个不同类型的指向对象的指针）
A pointer to a member to a pointer to a member of a different class or type, if the types of the members are both function types or object types （从一个指向成员的指针转向另一个指向类成员的指针！或者是类型，如果类型的成员和函数都是函数类型或者对象类型）

下面这个例子来自 MSDN 的一个哈希函数辅助

// expre_reinterpret_cast_Operator.cpp  
// compile with: /EHsc  
#include <iostream>  

// Returns a hash code based on an address  
unsigned short Hash(void *p) {
    unsigned int val = reinterpret_cast<unsigned int>(p);
    return (unsigned short)(val ^ (val >> 16));
}
using namespace std;
int main() {
    int a[20];
    for (int i = 0; i < 20; i++)
        cout << Hash(a + i) << endl;
}