C++ 四种类型强制转换

引言

C风格的强制转化(Type Cast)容易理解，不管是什么类型的转换都可以使用下面的公式：

TypeName b = (TypeName)a;

当然，C++也是支持C风格的强制转换，但是C风格的强制转换可能带来一些隐患，让一些问题难以察觉，所以C++提供了四种强制类型转换函数(它们都是类模板)：const_cast,static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast

类型转换的一般形式为：

cast-name<type>(expression)

下面我们分别进行介绍

1.const_cast

应用场景：

常量指针被转换成非常量的指针，并且仍指向原来的对象
常量引用被转换成非常量的引用，并且仍指向原来的对象

例子

#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] << "	";
    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] << "	";
    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，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 << "	" << use_val << "	" << *ptr_val << std::endl;
    *ptr_val = 110; //未定义行为
    std::cout << c_val << "	" << use_val << "	" << *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.

注意：

const_cast只能对指针或引用去除或者添加const属性，不能用于基本的数据类型

const_cast只能改变同种类型的const属性，不能用于不同类型之间转换，如

const int a= 0;
int b = const_cast<int>(a);//不对的
const int *pi = &a;
int * pii = const_cast<int *>pi;//去除指针中的常量性，也可以添加指针的常量性;

2.static_cast

应用场景：

任何具有明确定义的类型转换，只要不包含const,都可以使用static_cast
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,不过这种转转的安全性需要开发者来维护
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。
在C++ primer中说道：C++中的任何的隐式转换都是使用static_cast来实现的

例如：

/* 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);

注意：

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，所以这类的类型转换和C语言风格的强制转换都有安全隐患。
不可以用于多态类型的转换
不可以用于静态类型的转换
不可以用于不相关类型的转换

3.dynamic_cast

应用场景：

执行派生类指针或引用与基类指针或引用之间的转换，能确保下行转换的安全性(与static_cast的不同)。

例子：

#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 输出为下
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” ,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。

注意：

其他三种都是编译时完成的，dynamic_cast是运行时处理的，运行时要进行运行时类型检查；
基类中要有虚函数，因为运行时类型检查的类型信息在虚函数表中，有虚函数才会有虚函数表；
可以实现向上转型和向下转型，前提是必须使用public或protected继承；

4.reintepret_cast

应用场景：

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！但是它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！
它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
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）
注意

在指针之间转换，将一个类型的指针转换为另一个类型的指针，无关类型；
将指针值转换为一个整型数,但不能用于非指针类型的转换。

总结

去const属性用const_cast。
基本类型转换用static_cast。
多态类之间的类型转换用daynamic_cast。
不同类型的指针类型转换用reinterpreter_cast

参考文献

https://blog.csdn.net/ydar95/article/details/69822540

https://blog.csdn.net/bian_qing_quan11/article/details/70788312

https://blog.csdn.net/Yinghuhu333333/article/details/80722389

https://blog.csdn.net/u010275850/article/details/49452373