C++ 强制转换运算符 xxxx_cast

背景

类型转换的需求，C中有显示/隐式的强制类型转换。C++为了兼容保留了，但也提供了四种运算符来实现转换。

 

C语言强制类型转换的缺点

• 从形式上无法判断功能和风险

• 将多态基类指针转换成派生类指针时，没有检查安全性。无法判断转换后的指针是否指向一个派生类对象

• 难以寻找使用转换的地方

 

C++提供的强制转换运算符：

格式：xxxx_cast<目标类型>(表达式)

 

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static_cast

用处：

• 整型、浮点型、字符型之间转换；

• 如果对象重载了强制类型转换运算符T，也可以使用。

• 子类可以转成父类，父类不能转成子类

特点：

• 低风险

• 编译时会进行类型转换的检查，需要保证转换的安全性和正确性

  （比如int* 不能转为int）

 

不能：（下面都是风险高的转换）

• 不同类型的指针之间

• 整型 指针之间

• 不同类型的引用之间

 

例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    operator int() { return 1; }
    operator char*() { return NULL; }
};
int main()
{
    A a;
    int n;
    char* p = "New Dragon Inn";
    n = static_cast <int> (3.14);  // n 的值变为 3
    n = static_cast <int> (a);  //调用 a.operator int，n 的值变为 1
    p = static_cast <char*> (a);  //调用 a.operator char*，p 的值变为 NULL
    n = static_cast <int> (p);  //编译错误，static_cast不能将指针转换成整型
    p = static_cast <char*> (n);  //编译错误，static_cast 不能将整型转换成指针
    return 0;
}

 

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reinterpret_cast

用处：不同类型指针/引用之间、指针和整数类型之间。（但不会检查安全性）

 

特点：

• 转换时，是逐个比特复制的操作

• 强灵活性，安全性较差，由用户自己保证

• 编译时进行类型转换检查

• 可以将多态基类（包含虚函数的基类）的指针强制转换为派生类的指针。但不会检查安全性

 

例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
public:
    int i;
    int j;
    A(int n):i(n),j(n) { }
};
int main()
{
    A a(100);
    int &r = reinterpret_cast<int&>(a); //强行让 r 引用 a
    r = 200;  //把 a.i 变成了 200
    cout << a.i << "," << a.j << endl;  // 输出 200,100
    int n = 300;
    A *pa = reinterpret_cast<A*> ( & n); //强行让 pa 指向 n
    pa->i = 400;  // n 变成 400
    pa->j = 500;  //此条语句不安全，很可能导致程序崩溃
    cout << n << endl;  // 输出 400
    long long la = 0x12345678abcdLL;
    pa = reinterpret_cast<A*>(la); //la太长，只取低32位0x5678abcd拷贝给pa
    unsigned int u = reinterpret_cast<unsigned int>(pa);//pa逐个比特拷贝到u
    cout << hex << u << endl;  //输出 5678abcd
    typedef void (* PF1) (int);
    typedef int (* PF2) (int,char *);
    PF1 pf1;  PF2 pf2;
    pf2 = reinterpret_cast<PF2>(pf1); //两个不同类型的函数指针之间可以互相转换
}

程序的输出结果是：
200, 100
400
5678abed

reinterpret_cast体现了 C++ 语言的设计思想：用户可以做任何操作，但要为自己的行为负责。

 

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const_cast

用法：用于去除 const 属性

特点：

• 编译时进行类型转换的检查

 

例子：

const string s = "Inception";
string& p = const_cast <string&> (s);
string* ps = const_cast <string*> (&s);  // &s 的类型是 const string*

 

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dynamic_cast

用法：

是 reinterpret_cast 的补充，dynamic_cast专门用于将【多态基类的指针或引用】 强制转换为 【派生类的指针或引用】，而且能够检查转换的安全性。对于不安全的指针转换，转换结果返回 NULL 指针。

 

特点：

• 运行时类型检查来保证安全性

 

不能：

• 不能用于将【非多态基类】（即基类必须有 virtual ）的指针或引用强制转换为派生类的指针或引用——这种转换没法保证安全性

 

例子：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
class Base
{  //有虚函数，因此是多态基类
public:
    virtual ~Base() {}
};
class Derived : public Base { };
int main()
{
    Base b;
    Derived d;
    Derived* pd;
    pd = reinterpret_cast <Derived*> (&b);
    if (pd == NULL)
        //此处pd不会为 NULL。reinterpret_cast不检查安全性，总是进行转换
        cout << "unsafe reinterpret_cast" << endl; //不会执行
    pd = dynamic_cast <Derived*> (&b);
    if (pd == NULL)  //结果会是NULL，因为 &b 不指向派生类对象，此转换不安全
        cout << "unsafe dynamic_cast1" << endl;  //会执行
    pd = dynamic_cast <Derived*> (&d);  //安全的转换
    if (pd == NULL)  //此处 pd 不会为 NULL
        cout << "unsafe dynamic_cast2" << endl;  //不会执行
    return 0;
}

程序的输出结果是：
unsafe dynamic_cast1

 

如果上面的程序中出现了下面的语句：

Derived & r = dynamic_cast <Derived &> (b);

那该如何判断该转换是否安全呢？不存在空引用，因此不能通过返回值来判断转换是否安全。

C++ 的解决办法是：dynamic_cast 在进行引用的强制转换时，如果发现转换不安全，就会拋出一个异常，通过处理异常，就能发现不安全的转换。

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总结

1）强制类型转换一般不建议使用，因为会干扰系统的正常类型检查，很多异常转换本来编译器会报错的，但是一旦用了这些类型转换，就会抑制编译器的报错行为

2）有句话：使用reinterpret_cast很危险，而使用const_cast意味着设计有缺陷

 

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参考资料：

https://blog.csdn.net/weixin_42203498/article/details/120288397

《C++强制类型转换运算符(static_cast、reinterpret_cast、const_cast和dynamic_cast)》