关于强制类型转换的小结

[nine-point-eight-p]

强制类型转换

问题引入

C/C++中的类型转换（type cast）可以分为自动（隐式）的类型转换和强制（显式）的类型转换，这里我们主要讨论显式转换。类型转换始终是一个需要慎重对待的问题。在C中，进行强制转换没有任何限制，形式上只需要在变量前面加上变量类型即可。但是这很容易产生奇怪的问题。例如：

#include<iostream>
struct Data
{
    double data[200];
};
struct Junk
{
    int junk[100];
};
int main()
{
    Data d = {2.5e33, 3.5e-19, 20.2e32}; // initialize
    char * pch = (char *) (&d);          // type cast #1 – convert to string
    char ch = char (&d);                 // type cast #2 - convert address to a char
    Junk * pj = (Junk *) (&d);           // type cast #3 - convert to Junk pointer
    std::cout << *(pj->junk);            // ???
    return 0;
}

这三个转换究竟有什么意义？输出结果又是什么？自定义类之间随意转换、指针之间随意转换、const和非const也随意转换……可见是过于随意了。C++既然要对类型的要求如此严格，就不应该允许这些转换的存在。因此，C++提供了4种类型转换操作符（type cast operator），以期进行合理、规范的强制转换。

类型转换操作符

4种类型转换操作符分别是：static_cast、dynamic_cast、const_cast以及reinterpret_cast。它们的使用形式是相同的，即some_cast<new_type>(expression)。下面逐个做一小结。

static_cast

static_cast可以将expression转换为指定的new_type类型。如果不能转换，则会在编译时报错。

尽管看似接近于传统的C语言里的强制转换，但实际上增加了不少限制。从功能来说，大体可以分为以下几类：

• 类的层次结构：在类层次结构中基类（父类）和派生类（子类）之间指针或引用的转换。其中，进行向上转换（upcast，把派生类的指针或引用转换成基类表示）是安全的；进行向下转换（downcast，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，无法判定所指对象是否属于该派生类，所以是不安全的。

• 一般数据类型间转换：基本上，只要存在从expression类型到new_type类型的隐式转换路径，就可以进行转换。这不同于C语言中的强制转换，因为static_cast毕竟还是提出了一些要求。比如，自定义的类一般需要有相应的构造/赋值函数才能进行转换；即便是内置数据类型，也不能实现char*到int这种通常情况下没有意义的转换，哪怕char*到int*都不行。这在一定程度上增加了安全性。

  特别地，void*可以转换为任意指针类型，任意数据类型也可以转换为void，同时整数类型和enum类型之间也存在转换。

• 左值与右值：将左值等转换为右值引用。std::move的实现用到了这一点。

小结：static_cast在传统的C语言的强制转换上更进一步，在编译时进行静态类型检查，所以使用static_cast可以尽量发挥编译器的作用，减少强制转换带来的问题。然而，static_cast安全性一般仍需使用者自行保证，因为静态检查不能保证代码一定”正确“。可能的问题常常是来自于运行时，例如：向下转换导致访问错误，从void*转换到错误的指针类型等等。

dynamic_cast

dynamic_cast只能用于对象指针或引用之间的转换。具体来说，new_type只能是指针/引用/void*，而expression只能相应取指针/类的左值。

转换的结果有以下几种：

• 如果转换成功，dynamic_cast返回new_type类型的值；
• 如果转换失败：
  • new_type是指针类型，则返回空指针；
  • new_type是引用类型，则会抛出一个std::bad_cast类异常。

提到dynamimc_cast就少不了RTTI（Run-Time Type Information）。dynamic_cast的具体功能包括：

• 涉及RTTI：dynamic_cast的核心——向下转换（downcast）。在多继承的层次结构下也可以进行sidecast，参见参考资料8。

• 无关RTTI：这些基本上都可以由隐式转换或static_cast实现，（expression与new_type为同一个类时）添加cv标记，向上转换，转换空指针，向void*转换。

小结：dynamic_cast是4种转换里唯一一个具有运行时动态检查的强制转换。类的层次结构间进行向上转换时，dynamic_cast和static_cast的效果相同；在进行向下转换时，dynamic_cast增加了类型检查，比static_cast更安全。

const_cast

const_cast一般用来添加或移除const/volatile标记（简称cv标记，cv-qualifier），但可能并不如你所想的那样工作（比如const int a = 2; int b = const_cast<int>(a)？）。事实上，const_cast只能处理指针和引用，而且只能调整cv标记，不能更改类型（比如从int到double）。具体来说，其功能包括：

• 将左值转换为左值引用或右值引用，可以添加/移除cv标记；
• 将右值（prvalue、xvalue）转换为右值引用，可以添加/去除cv标记。

注意：

• const_cast不能处理函数指针或类的成员函数指针。

• 可以通过const_cast绕过编译器的限制，更改const对象的值。例如：

  const int i = 3;
  *(const_cast<int*>(&i)) = 2;

  这是一个未定义行为（undefined behavior），也就是说无法知道会产生什么样的结果。

小结：const_cast可以用来添加/移除cv标记，但是也存在限制。主要用于函数传参（函数要求传const参数，而实参非const，因而强制转换）。

reinterpret_cast

reinterpret_cast正如其名，只是告知编译器重新解释类型，并不会产生任何实际运行时的指令。

reintepret_cast 的转换是发生在二进制位上的。转换前后，对象的二进制数据未发生任何变化，只是对这些二进制位的编译器类型标识发生了变化，或者说是编译器看待这些二进制位的结论不同了。“重新解释”的特性使得它可以完成很多前三种强制转换不能做到的事情，例如在整数和指针之间相互转换，但这也使得它异常危险，因此这里也不多做介绍了，可以参见参考资料。

小结：reinterpret_cast的作用其实就是明确告知编译器，这次转换在编译时放弃严苛的编译器类型检查，正确性由使用者自己保证，某种意义上就是退回C中的强制转换。当然，reinterpret_cast并不是C中的强制转换，比如它不能去掉cv标记等。reinterpret_cast转换在以上几种转换中最为危险，需要非常谨慎。

总结

个人认为，C/C++作为强类型语言，应该避免大量使用强制转换，否则就违背了语言设计的初衷。然而出于种种原因，我们的确有不得不用的时候。C中一般用隐式转换或强制类型转换解决，本质上是一种一刀切方案，全靠程序员自行把控。C++中的4种类型转换操作符实际上是细分了具体场景，让程序员在具体情况下显式使用相应的操作符来转换，一方面明晰语义，另一方面让编译器和运行时系统尽可能提供帮助，提高程序的可靠性。

参考资料

1. C++ Primer Plus, Chapter 15, Type Cast Operators.
2. C++中类型转换详解_K丶WO的博客-CSDN博客_c++类型转换
3. [C++学习笔记8 - static_cast、reintepret_cast、const_cast、dynamic_cast、auto、decltype__Amen的博客-CSDN博客](https://blog.csdn.net/qq_38958704/article/details/124025692)
4. [static_cast conversion - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/static_cast)
5. [dynamic_cast conversion - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/dynamic_cast)
6. [const_cast conversion - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/const_cast)
7. [reinterpret_cast conversion - cppreference.com](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/reinterpret_cast)
8. [what is side-cast or cross-cast in Dynamic_cast in C++ - Stack Overflow](https://stackoverflow.com/questions/35959921/what-is-side-cast-or-cross-cast-in-dynamic-cast-in-c)