C++基础入门篇之强制转换

引言

假设有基类 a，包含了虚函数 func1，以及有派生类 b，继承于类 a，派生类 b 中实现了函数 func1。此时可以用 a 类型的指针指向 b 类型的对象，并用 a 类型的指针调用 b 类型对象中的函数 func1。这时，就形成了多态。包含虚函数的类 a，我们也称为多态类。

由于派生类 b 完整包含了 基类 a 的所有定义，将 b 类型的指针转换为 a 类型的指针总是安全的。

而将 a 类型的指针强制转换为 b 类型的指针时，如果 a 类型指针指向的对象确实为 b 类型的对象，那么转换也是安全的。此时，该 b 类型对象被称为完整对象(complete object)。

强制转换有哪些类型？

c++ 包含了以下几种强制转换运算符，这些运算符用于消除老式 c 语言转换中的存在的歧义和隐患：

• dynamic_cast
• static_cast
• const_cast
• reinterpret_cast
• safe_cast
  

本文会着重介绍如何使用 dynamic_cast 和 static_cast。

提醒：

除非必须，不要使用 const_cast 和 reinterpret_cast，因为它们存在一些老式 c 语言转换中的隐患。

dynamic_cast 运算符

语法：

 dynamic_cast <type-id> (expression)

type-id 必须是一个指针或者引用，指向/引用已定义的类类型或者 void。如果type-id 是指针，则 expression 必须也为指针类型，如果 type-id 是引用，expression 必须为左值类型。

如果 type-id 是 void*，那么在运行时将检测 expression 的实际类型。其结果返回 expression 指向的完整对象。

如非需要，现代 c++ 中应该避免使用 void 指针，因为容易出错。

下面看些示例，了解 dynamic_cast 的使用方式。

示例1：

class root { };
class base : public root { };
class derived : public base { };

void f(derived* pd) {
 base* pb = dynamic_cast<base*>(pd); // ok: base is a direct base class
         // pb points to base subobject of pd
 root* pr = dynamic_cast<root*>(pd); // ok: root is an indirect base class
         // pr points to root subobject of pd
}

示例1 中提到了子对象(subobject)的概念，注意与子类型进行区分：

• root 类型包含子类型 base，base 类型包含子类型 derived。
• derived 对象包含了 base 类型的子对象，base 类型的子对象又包含了 root 类型的子对象。
  

再联系下前面说的：派生类完整包含了基类的所有定义。

示例2：

class b {virtual void f();};
class d : public b {virtual void f();};

void f() {
 b* pb = new d; // unclear but ok
 b* pb2 = new b;

 d* pd = dynamic_cast<d*>(pb); // ok: pb actually points to a d
 d* pd2 = dynamic_cast<d*>(pb2); // pb2 was nullptr.
}

示例2 中 通过 dynamic_cast 转换为 pd2 时，不会报错，返回 nullptr。但如果同样地情况转换的对象是引用类型，那么运行时会抛出 std::bad_cast 异常。如果 pb2 指向/引用的对象无效，同样也会抛出异常。

示例3：

#include <stdio.h>
#include <iostream>

struct a {
 virtual void test() {
  printf_s("in a\n");
 }
};

struct b : a {
 virtual void test() {
  printf_s("in b\n");
 }

 void test2() {
  printf_s("test2 in b\n");
 }
};

struct c : b {
 virtual void test() {
  printf_s("in c\n");
 }

 void test2() {
  printf_s("test2 in c\n");
 }
};

void globaltest(a& a) {
 try {
  c &c = dynamic_cast<c&>(a);
  printf_s("in globaltest\n");
 }
 catch(std::bad_cast) {
  printf_s("can't cast to c\n");
 }
}

int main() {
 a *pa = new c;
 a *pa2 = new b;

 pa->test();

 b * pb = dynamic_cast<b *>(pa);
 if (pb)
  pb->test2();

 c * pc = dynamic_cast<c *>(pa2);
 if (pc)
  pc->test2();

 c constack;
 globaltest(constack);

 // will fail because b knows nothing about c
 b bonstack;
 globaltest(bonstack);
}
output:

in c
test2 in b
in globaltest
can't cast to c

static_cast 运算符

语法：

static_cast <type-id> (expression)

static_cast 通常用于数值类型转换，例如枚举和整型，整型和浮点类型的转换。

在标准 c++ 中，static_cast 转换没有运行时检测来保证安全性。在 c++/cx 中，则包含了编译和运行时检测。

static_cast 运算符能够用于将基类指针转换为派生类指针，但这样的转换不总是安全的。

下面还是通过示例进行讲解。

示例1：

class b {};
class d : public b {};

void f(b* pb, d* pd) {
 d* pd2 = static_cast<d*>(pb); // not safe, d can have fields
         // and methods that are not in b.

 b* pb2 = static_cast<b*>(pd); // safe conversion, d always
         // contains all of b.
}

示例1 中 pd2 不为空，当用指针 pd2 调用 b 类型对象不存在的方法或者成员时可能会发生运行时错误（比如调用虚函数）或者返回非预期的值。

示例2：

typedef unsigned char byte;

void f() {
 char ch;
 int i = 65;
 float f = 2.5;
 double dbl;

 ch = static_cast<char>(i); // int to char
 dbl = static_cast<double>(f); // float to double
 i = static_cast<byte>(ch);
}

示例2 中 static_cast 运算符显示地将内置类型进行转换。

关于 static_cast 运算符，还有以下几种使用情况：

• static_cast 能够显式的将整型转换为枚举类型。如果整型值不在枚举值范围内，那么返回的枚举值是未定义的。
• static_cast 能将任何 expression 显式地转换为 void 类型。
• static_cast 操作符不会去除 const，volatile，__unaligned 属性。
  

区分几种强制转换的使用场景

dynamic_cast 主要用于多态类型的强制转换，而 static_cast 主要用于非多态类型的强制转换。

static_cast 转换不像 dynamic_cast 那样安全。因为 static_cast 没有运行时检测。通过 dynamic_cast 进行转换时，一旦存在歧义，就会导致失败，然而 static_cast 会像没有错误发生一样返回结果。尽管 dynamic_cast 更加安全，但 dynamic_cast 仅适用于指针和引用，并且运行时检测是需要消耗性能的。

示例：

class b {
public:
 virtual void test(){}
};
class d : public b {};

void f(b* pb) {
 d* pd1 = dynamic_cast<d*>(pb);
 d* pd2 = static_cast<d*>(pb);
}

如果 pb 实际指向类型 d 或者 pd == 0，那么 pd1 和 pd2 将获得相同的值。

如果 pb 实际指向类型 b，那么 dynamic_cast 会返回 0。但是 static_cast 依赖于 expression 认定 pb 指向 d 类型对象，于是简单的返回 d 类型的指针。

结果就是，static_cast 转换会继续执行，但其返回结果是未定义的。这就需要调用者去进一步验证转换结果是有效的。

引用

总结

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