C++中的xxx_cast

C 风格强制转型

(T) expression  或

T(expression) //函数风格（Function-style）

两种形式之间没有本质上的不同。

对于具有转换的简单类型而言C 风格转型工作得很好。然而，这样的转换符也能不分皂白地应用于类（class）和类的指针。

C++类型转换

ANSI-C++标准定义了四个新的转换符：reinterpret_cast, static_cast, dynamic_cast和const_cast，目的在于控制类(class)之间的类型转换。

1.1       reinpreter_cast

用法：reinpreter_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。它可以把一个指针转换成一个整数，也可以把一个整数转换成一个指针。

这个操作符能够在非相关的类型之间转换。操作结果只是简单的从一个指针到别的指针的值的二进制拷贝。在类型之间指向的内容不做任何类型的检查和转换。reinpreter_cast是特意用于底层的强制转型，导致实现依赖（就是说，不可移植）的结果。

int n=9;

// reinterpret_cast 仅仅是复制 n 的比特位到 d，因此d 包含无用值。

double d=reinterpret_cast<double & > (n);

1.2       const_cast

用法：const_cast<type_id> (expression)

用于修改类型的const或volatile属性。除了const 或volatile修饰之外，type_id和expression的类型是一样的，一般用于强制消除对象的常量性。它是唯一能做到这一点的 C++ 风格的强制转型，而C不提供消除const的机制（已验证）。

常量指针被转化成非常量指针，并且仍然指向原来的对象；常量引用被转换成非常量引用，并且仍然指向原来的对象；常量对象被转换成非常量对象。

#include<iostream>
using namespace std;

/*
用法：const_cast<type_id> (expression)
　　该运算符用来修改类型的const或volatile属性。除了const 或volatile修饰之外， type_id和expression的类型是一样的。
　　一、常量指针被转化成非常量指针，并且仍然指向原来的对象；
　　二、常量引用被转换成非常量引用，并且仍然指向原来的对象；
　　三、常量对象被转换成非常量对象。 
  type_id 必须为指针或引用
*/

class B
{
public:
	int m_iNum;
	B() : m_iNum(50)
	{   }
};

void foo()
{
	const B *b1 = new B();
	//b1->m_iNum = 100;          // 编译错误
	// 做如下转换，体现出转换为指针类型
	B *b2 = const_cast<B*>(b1);
	b2->m_iNum = 200;
	cout<<"b1: "<< b1->m_iNum <<endl;
	cout<<"b2: "<< b2->m_iNum <<endl;

	const B b3;
	//b3.m_iNum = 100;     // 编译错误
	B b4 = const_cast<B&>(b3);          // b4是另外一个对象
	b4.m_iNum = 200;
	cout<<"b3: "<<b3.m_iNum <<endl;
	cout<<"b4: "<<b4.m_iNum <<endl;

	const B b5;
	//b5.m_iNum = 100;     // 编译错误

	// 或者左侧也可以用引用类型，如果对b6的数据成员做改变，就是对b5的值在做改变
	B &b6 = const_cast<B&>(b5);
	b6.m_iNum = 200;
	cout<<"b5: "<<b5.m_iNum <<endl;
	cout<<"b6: "<<b6.m_iNum <<endl;
	
	// force to convert 
	const int x = 50;
	int* y = (int *)(&x);       // 同样的地址，但是内容是不一样的
	*y = 200;
	cout << "x: "<<x<<" address: "<<&x<<endl;
	cout << "*y: "<<*y<<" address: "<<y<<endl;
	cout<<endl;
	
	const int xx = 50;
	int* yy = const_cast<int *> (&xx);     // 同样的地址，但是内容是不一样的
	*yy = 200;
	cout << "xx: "<<xx<<" address: "<<&xx<<endl;
	cout << "*yy: "<<*yy<<" address: "<<yy<<endl;
	cout<<endl;
	// int
	const int xxx = 50;
	int yyy = const_cast<int&> (xxx);     // yyy是另外一个int对象
	yyy = 200;
	cout << "xxx: "<<xxx<<" address: "<<&xxx<<endl;
	cout << "yyy: "<<yyy<<" address: "<<&yyy<<endl;
}

int main(void)
{
	foo();
	return 0;
}

运行结果如下：

1.3       static_cast

用法：static_cast < type-id > ( expression )

该运算符把expression转换为type-id类型，但没有运行时类型检查来保证转换的安全性。它允许执行任意的隐式转换和相反转换动作。主要有如下几种用法：

1）用于基本数据类型之间的转换，如把int转换成char，non-const 对象转型为 const 对象（这里相反方向不可以，C++只有const_cast可以）。

2）把空指针转换成目标类型的指针。（之前的做法是用强制转换(type-id*)）

3）把任何类型的表达式转换成void类型。

4）应用到类的指针上，它允许子类类型的指针转换为父类类型的指针（upercasting这是一个有效的隐式转换）；也能够执行相反动作，即转换父类为它的子类（downcasting），这种转换的安全性需要开发人员来保证（主要是在非上下转型中）。

class Base {};

class Derived : public Base {};

Base *a = new Base;

Derived *b = NULL;

b = static_cast<Derived *>(a); //可以通过编译，但存在安全隐患(如访问//Derived的成员)

注意：

1．static_cast不能转换掉expression的const、volitale、或者__unaligned属性。

2．在非基本类型或上下转型中，被转换的父类需要检查是否与目的类型相一致，否则，如果在两个完全不相干的类之间进行转换，将会导致编译出错。

1.4       dynamic_cast

只用于对象的指针和引用，主要用于执行“安全的向下转型”，也就是说，要确定一个对象是否是一个继承体系中的一个特定类型。它是唯一不能用旧风格语法执行的强制转型，也是唯一可能有重大运行时代价的强制转型。

当用于多态类型时（包含虚函数），它允许任意的隐式类型转换以及相反过程。不过，与static_cast不同，在后一种情况里（即隐式转换的相反过程），dynamic_cast根据RTTI信息检查操作是否有效。即在转换时dynamic_cast会检查转换是否能返回一个被请求的有效的完整对象。这种检查不是语法上的，而是真实情况的检查。检测在运行时进行，如果被转换的指针不是一个被请求的有效完整的对象指针，返回值为NULL。

先看RTTI相关部分，通常，许多编译器都是通过vtable找到对象的RTTI信息的，这也就意味着，如果基类没有虚函数，也就无法判断一个基类指针变量所指对象的真实类型, 这时候dynamic_cast只能用来做安全的转换（upercasting），如从派生类指针转换成基类指针，而这种转换其实并不需要dynamic_cast参与。

class Base { virtual dummy() {} };

class Derived : public Base {};

class Other{} ;

Base* b1 = new Derived;

Base* b2 = new Base;

Derived* d1 = dynamic_cast<Derived *>(b1);  // succeeds

Derived* d2 = dynamic_cast<Derived *>(b2);  // fails: returns 'NULL'

//如果一个引用类型执行了类型转换并且这个转换是不可能的，运行时一个//bad_cast的异常类型会被抛出：

Derived d3 = dynamic_cast<Derived &>(*b1);  // succeeds

Derived d4 = dynamic_cast<Derived &>(*b2);  // fails: exception thrown

注意：Base需要有虚函数，否则会编译出错。

来源：为什么需要dynamic_cast强制转换？
简单的说，当无法使用virtual函数的时候

典型案例：
Wicrosoft公司提供给我们一个类库，其中提供一个类Employee.以头文件Eemployee.h和类库.lib分发给用户
显然我们并无法得到类的实现的源代码

//Emplyee.h
class Employee 
{
public:
    virtual int salary();
};

class Manager : public Employee
{
public: 
    int salary();
};

class Programmer : public Employee
{
public:
    int salary();
};

我们公司在开发的时候建立有如下类:

class MyCompany
{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};

void MyCompany::payroll(Employee *pe)
{
    //do something
}

但是开发到后期，我们希望能增加一个bonus()的成员函数到W$公司提供的类层次中。
假设我们知道源代码的情况下，很简单，增加虚函数：

//Emplyee.h
class Employee 
{
public:
    virtual int salary();
    virtual int bonus();
};

class Manager : public Employee
{
public: 
    int salary();
};

class Programmer : public Employee
{
public:
    int salary();
    int bonus();
};

//Emplyee.cpp

int Programmer::bonus()
{
    //
}

payroll()通过多态来调用bonus()

class MyCompany
{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};

void MyCompany::payroll(Employee *pe)
{
    //do something
    //pe->bonus();
}

但是现在情况是，我们并不能修改源代码，怎么办？dynamic_cast华丽登场了！
在Employee.h中增加bonus()声明，在另一个地方定义此函数，修改调用函数payroll().重新编译，ok

//Emplyee.h
class Employee 
{
public:
    virtual int salary();
};

class Manager : public Employee
{
public: 
    int salary();
};

class Programmer : public Employee
{
public:
    int salary();
    int bonus();//直接在这里扩展
};

//somewhere.cpp

int Programmer::bonus()
{
    //define
}

class MyCompany
{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};

void MyCompany::payroll(Employee *pe)
{
    Programmer *pm = dynamic_cast<Programmer *>(pe);
    
    //如果pe实际指向一个Programmer对象,dynamic_cast成功，并且开始指向Programmer对象起始处
    if(pm)
    {
        //call Programmer::bonus()
    }
    //如果pe不是实际指向Programmer对象，dynamic_cast失败，并且pm = 0
    else
    {
        //use Employee member functions
    }
}

dynamic_cast主要用于类层次间的上行转换和下行转换，还可以用于类之间的交叉转换。

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。

class Base
{
public:
    int m_iNum;
    virtual void foo();
};

class Derived:public Base
{
public:
    char *m_szName[100];
};

void func(Base *pb)
{
    Derived *pd1 = static_cast<Derived *>(pb);

    Derived *pd2 = dynamic_cast<Derived *>(pb);
}

在上面的代码段中，
如果pb实际指向一个Derived类型的对象，pd1和pd2是一样的，并且对这两个指针执行Derived类型的任何操作都是安全的；
如果pb实际指向的是一个Base类型的对象，那么pd1将是一个指向该对象的指针，对它进行Derived类型的操作将是不安全的（如访问m_szName），而pd2将是一个空指针(即0，因为dynamic_cast失败)。
另外要注意：Base要有虚函数，否则会编译出错；static_cast则没有这个限制。这是由于运行时类型检查需要运行时类型信息，而这个信息存储在类的虚函数表（关于虚函数表的概念，详细可见<Inside c++ object model>）中，只有定义了虚函数的类才有虚函数表，没有定义虚函数的类是没有虚函数表的。

另外，dynamic_cast还支持交叉转换（cross cast）。如下代码所示。

class Base
{
public:
    int m_iNum;
    virtual void f(){}
};



class Derived1 : public Base
{

};

class Derived2 : public Base
{

};

void foo()
{
    derived1 *pd1 = new Drived1;

    pd1->m_iNum = 100;

    Derived2 *pd2 = static_cast<Derived2 *>(pd1); //compile error

    Derived2 *pd2 = dynamic_cast<Derived2 *>(pd1); //pd2 is NULL

    delete pd1;
}

在函数foo中，使用static_cast进行转换是不被允许的，将在编译时出错；而使用 dynamic_cast的转换则是允许的，结果是空指针。

1.5       小结

四种类型转换操作符对于隐式的类型转换没有必要。

static_cast在更宽上范围内可以完成映射，这种不加限制的映射伴随着不安全性。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（基类需要包含虚函数），dynamic_cast具有类型检查的功能，牺牲了效率，但比static_cast安全。