C++強制類型轉換總結

C/C++是有類型語言，在表達式計算，表達式賦值和函數調用時都會發生各種類型轉換。很多場合下，爲了使上述類型轉換合法、有效且滿足特定需求，我們需要對錶達式執行顯式的類型轉換。在這樣的場合，如何選擇合適的轉換函數，是我們不得不面對的一個問題。本篇我們總結整理了cpp文檔，對cpp中四種cast接口：const_cast、static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast進行了簡要的總結。

const_cast

const_cast<new_type>(exp: type)：在有不同const，volatile限定符的類型間轉換。

• 功能：移除表達式的常量性和易變性。 例如調用某個形參爲const T &的函數時，希望以（non-const）T類型作爲參數。

• 分類：

  • new_type和type爲指向同一類型的指針，但是擁有不同的const，volatile限定符。
  • 空指針值可轉換成new_type的空指針值。

• 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)： 用隱式轉換和用戶定義轉換的組合在類型間轉換。

• 功能：顯式、靜態地執行隱式類型轉換和用戶定義的轉換，不進行運行時檢查。

• 分類:

  • 隱式類型轉換和大部分隱式轉換的逆轉換。
  • 初始化轉換： 存在初始化函數 new_type(type)。
  • 子類到非虛父類的靜態轉換。
  • 左值到右值，數組到指針，函數到指針。
  • 棄值表達式：new_type爲void。
  • void * 到任何類型。

• 常用例子：

  int n = static_cast<int>(3.14);  //float 轉 int
  std::vector<int> v = static_cast<std::vector<int>>(10); // 初始化轉換
  
  std::vector<int> v2 = static_cast<std::vector<int>&&>(v); //左值到右值
  
  static_cast<void>(v2.size()); //棄值表達式
  
  void* voidp = &n;
  std::vector<int>* p = static_cast<std::vector<int>*>(voidp); // void*轉其他
  

dynamic_cast

dynamic_cast<new_type >(exp：type)：沿繼承層級向上、向下及側向，安全地轉換到其他類的指針和引用。

• 功能：在進行繼承層級上的轉換時，執行運行時檢查，保證轉型的安全性。

• 分類：

  • 向下轉型: type是new_type的公有基類，且從原對象中只能推導出一個new_type對象。
  • 側向轉型: type和new_type相互無繼承關係，但type和new_type都是原對象的公有基類。
  • 向上轉型: new_type是type的公有基類，可直接使用隱式類型轉換或者static_cast。
  • badcast: 均不滿足，指向new_type的空指針。

• 常用例子：

  //           |--A--|
  // 虛基類 V-->|     |-->D 繼承關係表明：D同時繼承了A、B
  //           |--B--|
  A& a = d; // 向上轉型，可以用 dynamic_cast，但不必須
  D& new_d = dynamic_cast<D&>(a); // 向下轉型
  B& new_b = dynamic_cast<B&>(a); // 側向轉型
  

reinterpret_cast

reinterpret_cast<new_type>(exp: type)：通過重新解釋底層位模式從而在類型間轉換。

• 功能：基本在原地實現任何類型的互轉（去除cv限定符除外），但不保證使用安全性。

• 分類：

  • 指針和整型互轉：注意該整型需要保證size足夠容納指針數值。這同時包括：任何空指針(賦值爲nullptr的指針)和空指針常量(nullptr)，可轉換成任何整型類型。
  • 函數指針互轉：函數指針之間的互轉，不同類的成員函數指針的互轉。
  • 其他：type類型的左值表達式可轉換成new_type &（注意無tmp變量生成，不發生拷貝）；type * 可轉 const/volatile new_type *; 任何具有空指針可轉換爲其他類型指針。

• 常用例子：

  // 指針到整數並轉回
  int i = 7;
  std::uintptr_t v1 = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(&i);
  int* p1 = reinterpret_cast<int*>(v1);
  
  // 到另一函數指針並轉回：已知f爲 int f() { return 0;}
  void(*fp1)() = reinterpret_cast<void(*)()>(f); // fp1(); 未定義行爲
  int(*fp2)() = reinterpret_cast<int(*)()>(fp1); // fp2(); 安全
  
  // int 轉 unsigned int &
  reinterpret_cast<unsigned int&>(i) = 42;
  

四種Cast的對比

通過上面的總結，我們大致可以明白四種cast接口的區別可由其名稱前綴區分。

• 僅const_cast可以將const、volatile類型的cv限定符去掉。
• 僅dynamic_cast會做運行時動態類型檢查，它主要用於多態類型的繼承層級互轉。
• static_cast使用範圍較廣，安全性較高。但當支持多態類的繼承關係轉換時，不會做運行時檢查，存在一定的安全性問題。注意用static_cast做轉換時，生成的新對象是原對象的拷貝版本，只是執行了類型轉換。
• reinterpret_cast在編譯器層面解構了原類型，以新類型的觀點去解釋原類型的各個字節，故基本可以做任何類型轉換，例如不同類型函數指針互轉，指針與整型互轉等等。與static_cast不同但與const_cast類似的是，這種轉換不會對原值的執行拷貝，故若能正確轉回原類型，便能恢復變成原對象。很明顯，reinterpret_cast安全性問題較大。

參考資料

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