C++具名转型的功能和用途

在 C++ 中，具名转型（Named Casts） 是类型安全的显式类型转换操作符，相比传统的 C 风格强制转换，具名转型具有更明确的语义和编译器检查。C++ 提供四种标准具名转型：

1. static_cast

功能

• 用于编译时已知类型关系的转换
• 可执行基本类型转换、父子类指针/引用转换（无动态类型检查）
• 不能移除 const/volatile 限定符

用途

• 基本数值类型转换
• 类层次中的向上转换（子类→基类）
• 隐式转换的显式写法（如 void* → 其他指针）

示例

// 基本类型转换
double d = 3.14;
int i = static_cast<int>(d);  // i = 3

// 类层次向上转换
class Base {};
class Derived : public Base {};
Derived* pd = new Derived;
Base* pb = static_cast<Base*>(pd);  // 安全向上转换

// void* 转换
int x = 10;
void* pv = static_cast<void*>(&x);
int* pi = static_cast<int*>(pv);

2. dynamic_cast

功能

• 用于运行时类型检查的类层次转换（需要 RTTI 支持）

• 主要用于向下转换（基类→子类）

• 只能用于多态类型（基类必须有虚函数）

用途

• 安全地将基类指针/引用转换为派生类指针/引用

• 转换失败时返回 nullptr（指针）或抛出异常（引用）

示例

class Animal { public: virtual ~Animal() {} };
class Dog : public Animal { public: void bark() {} };

Animal* pa = new Dog;

// 向下转换（安全）
Dog* pd = dynamic_cast<Dog*>(pa);
if (pd) {
    pd->bark();  // 转换成功
}

// 处理交叉转换（cross cast）
class Cat : public Animal {};
Animal* pa2 = new Cat;
Dog* pd2 = dynamic_cast<Dog*>(pa2);  // 返回 nullptr

3. const_cast

功能

• 移除或添加 const/volatile 限定符

• 不能改变实际类型，只能改变访问权限

用途

• 修改第三方库中未正确声明为 const 的 API

• 临时去除 const 以兼容旧代码（需谨慎）

示例

// 合法使用：去除 const 访问非 const 对象
int value = 42;
const int* cp = &value;
int* p = const_cast<int*>(cp);  // 合法
*p = 100;  // 安全：原对象本身不是 const

// 危险操作：修改真正的 const 对象
const int ci = 50;
int* pci = const_cast<int*>(&ci);
*pci = 60;  // 未定义行为（UB）

4. reinterpret_cast

功能

• 低级别的位模式重新解释

• 不进行任何类型检查或转换

• 可能导致未定义行为（UB）

用途

• 指针与整数之间的转换

• 不相关指针类型之间的转换（如 float* → int*）

示例

// 指针转整数（平台相关）
int x = 42;
uintptr_t addr = reinterpret_cast<uintptr_t>(&x);

// 不同类型指针转换
float f = 3.14f;
int* pi = reinterpret_cast<int*>(&f);  // 重新解释二进制位

// 危险：函数指针转换
typedef void (*FuncPtr)();
FuncPtr fp = reinterpret_cast<FuncPtr>(&x);  // 调用导致 UB

对比总结

转型操作符	使用场景	安全性	运行时开销
static_cast	明确的类型转换	编译时检查	无
dynamic_cast	多态类层次的安全向下转换	运行时检查	有
const_cast	修改 const/volatile 属性	需人工保证	无
r einterpret_cast	低级二进制重新解释 极不安全	无

最佳实践

• 优先使用 static_cast，避免 C 风格强制转换

• 慎用 const_cast：确保原对象不是真正的常量

• 限制 reinterpret_cast：仅在硬件操作或系统编程时使用

• 用 dynamic_cast 替代向下转型：结合 if 检查结果

// 安全转型模板
template <typename To, typename From>
To safe_cast(From from) {
    static_assert(std::is_polymorphic_v<From>, "Need polymorphic type");
    To to = dynamic_cast<To>(from);
    if (!to) throw std::bad_cast();
    return to;
}