c++ 类型转换与explicit

Posted 2022-05-12 zkccpro

c++ 类型转换与explicit

本文试图搞清楚这样2个问题：

• c++ 类型转换有哪些？作用分别是什么？实际工程中应该怎么用？
• 经常查看标准库源码的同学会发现标准库中很多类构造函数会带有explicit声明，explicit关键字是为了做什么的？

一、c++的类型转换简介

可不要上来就说4种类型转换昂。。类型转换按照触发条件分可分为：隐式类型转换，显式类型转换；而按照行为分可分为：static，dynamic，const，reinterpret。我们先按照行为划分介绍4种类型转换：

1. static_cast

静态转换是最常用的一种转换了！作用效果与c风格的强制类型转换写法一样。另外，下文会提及：所有隐式转换默认使用static_cast。

int a=2;
double b1=static_cast<double>(a);//c++
double b2=(double)a;//c

但static_cast在下行转换时可能会使代码不安全（未定义行为）：

class base
public:
    virtual void func()cout<<"this is base!"<<endl;
;
class sub:public base
public:
    virtual void func()overridecout<<"this is sub!"<<endl;
;

int main()
    base* b=new base;//父类指针指向父类对象
    sub* s=static_cast<sub*>(b);//下行转换用了static_cast
    cout<<s<<endl;//转换成功，指针不为nullptr
    s->func();//输出：this is base!

可以发现，用static_cast把父类转换成子类之后，对其调用虚函数仍然是父类的版本！可见static_cast对父类

所以一个常见的建议是：涉及子类和父类之间的转换不要用static_cast就完事了！

2. dynamic_cast

动态转换就会“动态地”分析转换前后的类型，是否会导致上面这种未定义行为，如果可能出现，则直接转换失败。接下来我们详细谈谈这个：

首先，dynamic_cast是有语法上的使用条件的：

• 必须用于带有虚函数的继承体系
• 转换目标类型和待转换类型必须是指针或引用

知道了使用条件，接下来看看dynamic_cast的行为：

class base
public:
    virtual void func()cout<<"this is base!"<<endl;
;
class sub:public base
public:
    virtual void func()overridecout<<"this is sub!"<<endl;
;

int main()
    base* b=new base;//父类指针指向父类对象
    sub* s=dynamic_cast<sub*>(b);// 下行转换
    cout<<s<<endl;//输出：0，转换失败

可见，为了避免static_cast造成【经转换后的子类无法调用自己的虚函数版本】的问题，dynamic_cast的作用就在于直接阻止这种情况的出现，以免你的代码出现“难以发现”的错误。

另外，如果基类不含虚函数时，使用dynamic_cast转换会不过编译：【source type is not polymorphic，基类类型并非多态】

class base
public:
    int a;
;

class sub:public base
public:
    int b;
;
int main()
    base* b=new base;
    sub* s=dynamic_cast<sub*>(b);// 编译出错

3. const_cast

//去除指针的底层const属性
	int aa=2;
    const int* a=&aa;//底层const
    int* b=const_cast<int*>(a);
    *a=3;//a指向内容不能改，底层const，编译出错！
    *b=3;//转换之后就可以了
    cout<<*b<<endl;

//去除指针的顶层const属性
    int aa=2;
    int bb=3;
    int* const a=&aa;//顶层const
    int* b=const_cast<int*>(a);
    a=&bb;//a的指向不能改，顶层const，编译出错！
    b=&bb;//转换之后就可以了
    cout<<*b<<endl;

说到这里，就不得不提一下我对顶层/底层const的一些新的理解：

首先是写法，初学者可能都会觉得顶层底层的写法难以记住，容易混淆：

const int* a;//1. 底层
int* const b;//2. 顶层
int const *c;//3. 底层

上面3种都是比较常见的写法，你能快速反应出来吗？一开始我也迷糊，特别是看到第3种写法。。。

我是怎么记的呢？const放在 * 后面就是修饰指针的，即为顶层，其他都是底层，即修饰变量类型(int)的。

而对于底层const，一般理解是：不能修改指向的内容，这句话没错，但不准确，看下面的代码：

int a = 1;
int const *p_a = &a; 
*p_a = 2;//底层const指向的区域不能由此底层const指针修改，编译出错
a=2;//但并不意味着此段内存中的值不能改，只是不能通过此底层const指针修改！

上述代码在GNU下测试过，所以，对于底层const，我们的结论是：

底层const的本质是规定一段地址，这段地址中的值不能由此底层const指针修改，但却能通过其他方式修改。

4. reinterpret_cast

噢。。这个东西真的是“潘多拉魔盒”！为什么这么说呢？因为它帮你跨过c++帮你苦心经营的“抽象”，给你提供一个直接和底层的汇编语言打交道的机会！

在之后的章节我会详细介绍汇编语言提供怎样的机制，来访问不同类型指针指向的内存。现在我们先简单“尝尝鲜”：

int aa=2;
int* a=&aa;
char* c=reinterpret_cast<char*>(a);
int i=0;
while(i<sizeof(int))
    cout<<static_cast<int>(*(c++))<<" ";
    i++;

cout<<endl;

第一次接触reinterpret_cast看上面的代码可能会觉得头皮发麻，比如说我。。。实际上，上面的代码意味着：

将一段存储int类型的内存空间，按照char类型的方法来解析之！

啥意思呢？仔细观察你会发现：c指针每次++，起始地址只向前移动了1B，而int类型的指针每次++应该移动4B才对！这就说明对一段地址位级别的解释发生了变化。

上段代码GNU下的输出：

zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ test_cast.cc -o test_cast && ./test_cast
2 0 0 0

它直接输出了存储4字节int类型变量地址中，每1字节的存储的值，具体输出的内容与整数机内表示有关，我们之后的文章也会详细介绍。

说完了reinterpret_cast的行为，那它有什么用呢？我们什么时候非得跨国c/c++的抽象来直接改变底层地址的解析性质呢？

恐怕一个经典的例子就是buffer设计。当你的buffer需要存储不同类型的值时，将他们存入buffer前都reinterpret_cast<char*>，再放入一个char*类型的buffer；当你自己动手设计网络消息中间件的buffer时，你需要统一按字节(char类型)将各种信息打出去，这或许也需要reinterpret_cast<char*>。

但必须要提醒的是，用了这个东西，也就意味着没有完全遵守c++2.0规范，因为直接修改了底层的字节解释，如果你对你程序的行为不敢100%保证它可以按你的想法去改变解析的地址内容（特别是网络buffer，因为网络复杂的情况很可能导致你的buffer出现一些时序对不上的情况，除非你考虑了所有可能发生的时序问题并做好了正确的处理，否则在网络buffer中用reinterpret_cast<char*>属于“找死”行为。

二、 explicit关键字的使用场景

当你通读过《c++ primer》后，你会了解到，explicit一般用于修饰类的构造函数，阻止类调用此构造函数发生隐式转换。但你了解到此你可能还是不知道到底什么时候该用explicit修饰构造函数。。（反正我是这样）

幸亏看了侯捷老师的视频，帮我搞清楚了explicit的使用场景究竟是什么，我在GNU下复现了侯捷老师给的例子：

class fraction
public:
    fraction()=default;
    fraction(int num,int den=1)//有参构造，允许隐式转换
    :num_(num),den_(den)
    //自定义statis_cast的规则，一个类重载了这个就可以向目标类型隐式转换/静态转换了
    operator double()const
        return static_cast<double>(num_/den_);
    
    fraction operator+(const fraction& f)
        //应该按分数运算的规则返回，但在这里这不重要
        return fraction();
    
private:
    int num_0;
    int den_1;
;
int main()
    fraction f(3,5);
    double d=f+3;//ambiguous

上面这段代码会编译报错吗？答案是 会的！但是为啥呢。。

原因在于主函数的最后一行，表达式f+3.0对编译器来说有2种执行方法：

1. 由于你重载了double()，所以可以把 f 隐式转换成double，3转换成double，然后相加，没毛病。
2. 由于你没有阻止有参构造的隐式转换，而且整数3正好可以匹配你的有参构造（有默认参数，可以接受一个参数），所以编译器可以把 3 隐式转换成 fraction，然后两个fraction正好又有相加规则，最后再把相加后的fraction隐式转换成double，赋值给d。稍麻烦点，但也没毛病啊！

至此，编译器有了2种执行方法，且都可以走通，这种情况会导致编译出错，这是GNU下的编译输出：

zkcc@LAPTOP-OHBI7I8S:~/mytest$ g++ test_cast.cc -o test_cast && ./test_cast
test_cast.cc: In function ‘int main()’:
test_cast.cc:67:15: error: ambiguous overload for ‘operator+’ (operand types are ‘fraction’ and ‘double’)
   67 |     double d=f+3.0;
      |              ~^~~~
      |              | |
      |              | double
      |              fraction
test_cast.cc:67:15: note: candidate: ‘operator+(double, double)’ <built-in>
   67 |     double d=f+3.0;
      |              ~^~~~
test_cast.cc:24:14: note: candidate: ‘fraction fraction::operator+(const fraction&)’
   24 |     fraction operator+(const fraction& f)
      |              ^~~~~~~~

那如何避免这种ambiguous呢？很简单，只要阻止一条路径就行了，下面的方法都在GNU下经过测试了

• 阻止路径1：把operator double()重载去掉
• 阻止路径2：给有参构造加上explicit修饰：

explicit fraction(int num,int den=1)//阻止隐式转换，explicit修饰要写在前面
:num_(num),den_(den)

而避免这种ambiguous的出现恰好是explicit关键字最常用的用途了，掌握这个即可！