C++強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換：static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast

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1. c強(qiáng)制轉(zhuǎn)換與c++強(qiáng)制轉(zhuǎn)換

c語(yǔ)言強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換主要用于基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)類型間的轉(zhuǎn)換，語(yǔ)法為：

(type-id)expression//轉(zhuǎn)換格式1

type-id(expression)//轉(zhuǎn)換格式2

c++除了能使用c語(yǔ)言的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換外，還新增了四種強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換：static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast，主要運(yùn)用于繼承關(guān)系類間的強(qiáng)制轉(zhuǎn)化，語(yǔ)法為：

static_cast<new_type>      (expression)
dynamic_cast<new_type>     (expression) 
const_cast<new_type>       (expression) 
reinterpret_cast<new_type> (expression)

備注：new_type為目標(biāo)數(shù)據(jù)類型，expression為原始數(shù)據(jù)類型變量或者表達(dá)式。

《Effective C++》中將c語(yǔ)言強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換稱為舊式轉(zhuǎn)型，c++強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換稱為新式轉(zhuǎn)型。

2. C++強(qiáng)制轉(zhuǎn)換: static_cast、dynamic_cast、const_cast、reinterpret_cast

static_cast
static_cast相當(dāng)于傳統(tǒng)的C語(yǔ)言里的強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，該運(yùn)算符把expression轉(zhuǎn)換為new_type類型，用來(lái)強(qiáng)迫隱式轉(zhuǎn)換，例如non-const對(duì)象轉(zhuǎn)為const對(duì)象，編譯時(shí)檢查，用于非多態(tài)的轉(zhuǎn)換，可以轉(zhuǎn)換指針及其他，但沒(méi)有運(yùn)行時(shí)類型檢查來(lái)保證轉(zhuǎn)換的安全性。它主要有如下幾種用法：
①用于類層次結(jié)構(gòu)中基類（父類）和派生類（子類）之間指針或引用的轉(zhuǎn)換。
進(jìn)行上行轉(zhuǎn)換（把派生類的指針或引用轉(zhuǎn)換成基類表示）是安全的；
進(jìn)行下行轉(zhuǎn)換（把基類指針或引用轉(zhuǎn)換成派生類表示）時(shí)，由于沒(méi)有動(dòng)態(tài)類型檢查，所以是不安全的。
②用于基本數(shù)據(jù)類型之間的轉(zhuǎn)換，如把int轉(zhuǎn)換成char，把int轉(zhuǎn)換成enum。這種轉(zhuǎn)換的安全性也要開(kāi)發(fā)人員來(lái)保證。
③把空指針轉(zhuǎn)換成目標(biāo)類型的空指針。
④把任何類型的表達(dá)式轉(zhuǎn)換成void類型。
注意：static_cast不能轉(zhuǎn)換掉expression的const、volatile、或者_(dá)_unaligned屬性。

基本類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換舉例如下：

char a = 'a';
int b = static_cast<char>(a);//正確，將char型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成int型數(shù)據(jù)

double *c = new double;
void *d = static_cast<void*>(c);//正確，將double指針轉(zhuǎn)換成void指針

int e = 10;
const int f = static_cast<const int>(e);//正確，將int型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成const int型數(shù)據(jù)

const int g = 20;
int *h = static_cast<int*>(&g);//編譯錯(cuò)誤，static_cast不能轉(zhuǎn)換掉g的const屬性

類上行和下行轉(zhuǎn)換：

if(Derived *dp = static_cast<Derived *>(bp)){//下行轉(zhuǎn)換是不安全的
  //使用dp指向的Derived對(duì)象  
}
else{
  //使用bp指向的Base對(duì)象  
}

if(Base*bp = static_cast<Derived *>(dp)){//上行轉(zhuǎn)換是安全的
  //使用bp指向的Derived對(duì)象  
}
else{
  //使用dp指向的Base對(duì)象  
}

dynamic_cast

dynamic_cast<type*>(e)
dynamic_cast<type&>(e)
dynamic_cast<type&&>(e)

type必須是一個(gè)類類型，在第一種形式中，type必須是一個(gè)有效的指針，在第二種形式中，type必須是一個(gè)左值，在第三種形式中，type必須是一個(gè)右值。在上面所有形式中，e的類型必須符合以下三個(gè)條件中的任何一個(gè)：e的類型是是目標(biāo)類型type的公有派生類、e的類型是目標(biāo)type的共有基類或者e的類型就是目標(biāo)type的的類型。如果一條dynamic_cast語(yǔ)句的轉(zhuǎn)換目標(biāo)是指針類型并且失敗了，則結(jié)果為0。如果轉(zhuǎn)換目標(biāo)是引用類型并且失敗了，則dynamic_cast運(yùn)算符將拋出一個(gè)std::bad_cast異常(該異常定義在typeinfo標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)頭文件中)。e也可以是一個(gè)空指針，結(jié)果是所需類型的空指針。

dynamic_cast主要用于類層次間的上行轉(zhuǎn)換和下行轉(zhuǎn)換，還可以用于類之間的交叉轉(zhuǎn)換（cross cast）。
在類層次間進(jìn)行上行轉(zhuǎn)換時(shí)，dynamic_cast和static_cast的效果是一樣的；
在進(jìn)行下行轉(zhuǎn)換時(shí)，dynamic_cast具有類型檢查的功能，比static_cast更安全。dynamic_cast是唯一無(wú)法由舊式語(yǔ)法執(zhí)行的動(dòng)作，也是唯一可能耗費(fèi)重大運(yùn)行成本的轉(zhuǎn)型動(dòng)作。
（1）指針類型
舉例，Base為包含至少一個(gè)虛函數(shù)的基類，Derived是Base的共有派生類，如果有一個(gè)指向Base的指針bp，我們可以在運(yùn)行時(shí)將它轉(zhuǎn)換成指向Derived的指針，代碼如下：

if(Derived *dp = dynamic_cast<Derived *>(bp)){
  //使用dp指向的Derived對(duì)象  
}
else{
  //使用bp指向的Base對(duì)象  
}

值得注意的是，在上述代碼中，if語(yǔ)句中定義了dp，這樣做的好處是可以在一個(gè)操作中同時(shí)完成類型轉(zhuǎn)換和條件檢查兩項(xiàng)任務(wù)。

（2）引用類型

因?yàn)椴淮嬖谒^空引用，所以引用類型的dynamic_cast轉(zhuǎn)換與指針類型不同，在引用轉(zhuǎn)換失敗時(shí)，會(huì)拋出std::bad_cast異常，該異常定義在頭文件typeinfo中。

void f(const Base &b){
 try{
   const Derived &d = dynamic_cast<const Base &>(b);  
   //使用b引用的Derived對(duì)象
 }
 catch(std::bad_cast){
   //處理類型轉(zhuǎn)換失敗的情況
 }
}

const_cast
const_cast，用于修改類型的const或volatile屬性。

該運(yùn)算符用來(lái)修改類型的const(唯一有此能力的C++-style轉(zhuǎn)型操作符)或volatile屬性。除了const 或volatile修飾之外， new_type和expression的類型是一樣的。
①常量指針被轉(zhuǎn)化成非常量的指針，并且仍然指向原來(lái)的對(duì)象；
②常量引用被轉(zhuǎn)換成非常量的引用，并且仍然指向原來(lái)的對(duì)象；
③const_cast一般用于修改底指針。如const char *p形式。

舉例轉(zhuǎn)換如下：

const int g = 20;
int *h = const_cast<int*>(&g);//去掉const常量const屬性

const int g = 20;
int &h = const_cast<int &>(g);//去掉const引用const屬性

 const char *g = "hello";
char *h = const_cast<char *>(g);//去掉const指針const屬性

reinterpret_cast
new_type必須是一個(gè)指針、引用、算術(shù)類型、函數(shù)指針或者成員指針。它可以把一個(gè)指針轉(zhuǎn)換成一個(gè)整數(shù)，也可以把一個(gè)整數(shù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)指針（先把一個(gè)指針轉(zhuǎn)換成一個(gè)整數(shù)，再把該整數(shù)轉(zhuǎn)換成原類型的指針，還可以得到原先的指針值）。

reinterpret_cast意圖執(zhí)行低級(jí)轉(zhuǎn)型，實(shí)際動(dòng)作（及結(jié)果）可能取決于編輯器，這也就表示它不可移植。

舉一個(gè)錯(cuò)誤使用reintepret_cast例子，將整數(shù)類型轉(zhuǎn)換成函數(shù)指針后，vc++在執(zhí)行過(guò)程中會(huì)報(bào)"...中的 0xxxxxxxxx 處有未經(jīng)處理的異常: 0xC0000005: Access violation"錯(cuò)誤：

#include <iostream>
using namespace std;
int output(int p){
    cout << p <<endl;
　　return 0;
}

typedef int (*test_func)(int );//定義函數(shù)指針test_func
int main(){
    int p = 10;
    test_func fun1 = output;
    fun1(p);//正確
    test_func fun2 = reinterpret_cast<test_func>(&p);
    fun2(p);//...處有未經(jīng)處理的異常: 0xC0000005: Access violation
    return 0;
}

IBM的C++指南、C++之父也都指出：錯(cuò)誤的使用reinterpret_cast很容易導(dǎo)致程序的不安全，只有將轉(zhuǎn)換后的類型值轉(zhuǎn)換回到其原始類型，這樣才是正確使用reinterpret_cast方式。

MSDN中也提到了，實(shí)際中可將reinterpret_cast應(yīng)用到哈希函數(shù)中，如下（64位系統(tǒng)中需將unsigned int修改為unsigned long）：

// expre_reinterpret_cast_Operator.cpp
// compile with: /EHsc
#include <iostream>

// Returns a hash code based on an address
unsigned short Hash( void *p ) {
   unsigned int val = reinterpret_cast<unsigned int>( p );
   return ( unsigned short )( val ^ (val >> 16));
}

using namespace std;
int main() {
   int a[20];
   for ( int i = 0; i < 20; i++ )
      cout << Hash( a + i ) << endl;
}

另外，static_cast和reinterpret_cast的區(qū)別主要在于多重繼承，比如

class A {
    public:
    int m_a;
};
 
class B {
    public:
    int m_b;
};
 
class C : public A, public B {};

那么對(duì)于以下代碼：

C c;
printf("%p, %p, %p", &c, reinterpret_cast<B*>(&c), static_cast <B*>(&c));

前兩個(gè)的輸出值是相同的，最后一個(gè)則會(huì)在原基礎(chǔ)上偏移4個(gè)字節(jié)，這是因?yàn)閟tatic_cast計(jì)算了父子類指針轉(zhuǎn)換的偏移量，并將之轉(zhuǎn)換到正確的地址（c里面有m_a,m_b，轉(zhuǎn)換為B*指針后指到m_b處），而reinterpret_cast卻不會(huì)做這一層轉(zhuǎn)換。
　因此, 你需要謹(jǐn)慎使用 reinterpret_cast。

  1. c++強(qiáng)制轉(zhuǎn)換注意事項(xiàng)
    新式轉(zhuǎn)換較舊式轉(zhuǎn)換更受歡迎。原因有二，一是新式轉(zhuǎn)型較易辨別，能簡(jiǎn)化“找出類型系統(tǒng)在哪個(gè)地方被破壞”的過(guò)程；二是各轉(zhuǎn)型動(dòng)作的目標(biāo)愈窄化，編譯器愈能診斷出錯(cuò)誤的運(yùn)用。
    盡量少使用轉(zhuǎn)型操作，尤其是dynamic_cast，耗時(shí)較高，會(huì)導(dǎo)致性能的下降，盡量使用其他方法替代。

參考資料：

a):http://en.cppreference.com/w/cpp/language/static_cast

b):http://en.cppreference.com/w/cpp/language/dynamic_cast

c):http://en.cppreference.com/w/cpp/language/const_cast

d):http://en.cppreference.com/w/cpp/language/reinterpret_cast

e):《Effective C++》條款27:盡量少做轉(zhuǎn)型動(dòng)作

f): 百度百科

g) 《C++ Primer》

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