C++入门(六) :C++的四种强制类型转换

C风格的强制转换(Type Cast)容易理解,不管什么类型的转换都可以使用使用下面的方式

Type b = (Type)a;

当然，C++也是支持这种形式的强制转换，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++提供了一组可以用在不同场合的强制转换的函数。

目录

一、const_cast

二、static_cast

三、dynamic_cast

四、reinterpret_cast

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一、const_cast

1. 常量指针被转化成非常量的指针，并且仍然指向原来的对象；
2. 常量引用被转换成非常量的引用，并且仍然指向原来的对象；
3. const_cast不是用于去除变量的常量性(去除变量的常量性的行为是未定义的)，而是去除指向常数对象的指针或引用的常量性，其去除常量性的对象必须为指针或引用

用法：const_cast<type_id> (expression)

#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] << "\t";
    std::cout << std::endl;

    // 常量化数组指针
    const int*c_ptr = ary;

    // 通过const_cast<> 去除常量属性
    int *ptr = const_cast<int*>(c_ptr);

    // 此时可以修改数据
    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] << "\t";
    std::cout << std::endl;

    const int c_val = 233;
    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
    *ptr_val = 110; //未定义行为
    return 0;
}

/*  打印结果
    1   2   3   4
    2   3   4   5
*/

二、static_cast

1. 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，所以这类型的强制转换和C语言风格的强制转换都有安全隐患。
2. 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。
3. 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。这种转换的安全性需要开发者来维护。
4. 把空指针转换成目标类型的空指针
5. 把任何类型的表达式转换为void类型
6. static_cast不能转换掉原有类型的const、volatile、或者 __unaligned属性。(前两种可以使用const_cast 来去除)

用法：static_cast<type_id> (expression)

/* 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);    

三、dynamic_cast

1. 其他三种都是编译时完成的，dynamic_cast是运行时处理的，运行时进行类型检查。
2. 不能用于内置的基本数据类型的强制转换,仅仅在有血缘关系的类之间进行转换。
3. dynamic_cast转换如果成功的话返回的是指向类的指针或引用，转换失败的话则会返回nullptr。
4. 使用dynamic_cast进行转换的，基类中一定要有虚函数，否则编译不通过。
5. 在类的转换时，在类层次间进行上行转换时，dynamic_cast和static_cast的效果是一样的。在进行下行转换时，dynamic_cast具有类型检查的功能，比static_cast更安全。

用法：dynamic_cast<type_id> (expression)

#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();
    } else {
        cout<<"sub2base is nullptr"<<endl;
    }


    cout << endl << "Base->Sub" << endl;
    Base *base = new Base();
    base->print();
    Sub  *base2sub = dynamic_cast<Sub*>(base);
    if (base2sub != nullptr) {
        base2sub->print();
    } else {
        cout<<"base2sub is nullptr"<<endl;
    }
 
    delete sub;
    delete base;
    return 0;
}
/* vs2017 输出为下
Sub->Base
I'm Sub
I'm Base

Base->Sub
I'm Base
base2sub is nullptr
*/

四、reinterpret_cast

reinterpret_cast是强制类型转换符用来处理无关类型转换的，reinterpret_cast强制转换过程仅仅只是比特位的拷贝，因此在使用过程中需要特别谨慎！：

1. 指针转向足够大的整数类型
2. 从整形或者enum枚举类型转换为指针
3. 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
4. A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
5. 从一个指向成员的指针转向另一个指向类成员的指针或类型，如果类型的成员和函数都是函数类型或者对象类型

用法：reinterpret_cast<type_id> (expression)
    type-id必须是一个指针、引用、算术类型、函数指针或者成员指针。

#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
*/

知识推展

若要对共享指针进行强制类型转换，则可以使用如下四种：

转换类型	安全性	性能	使用频率	主要风险
static_pointer_cast	低	高	经常	类型错误导致UB
dynamic_pointer_cast	高	中	经常	性能开销，空指针
const_pointer_cast	中	高	偶尔	破坏const正确性
reinterpret_pointer_cast	极低	高	极少	内存布局不匹配