static_cast, dynamic_cast, const_cast探討

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 首先回顧一下C++類型轉換：

C++類型轉換分為：隱式類型轉換和顯式類型轉換

第1部分. 隱式類型轉換

何時發生隱式類型轉換

在下面這些情況下，編譯器會自動地轉換運算對象的類型：

• 在大多數運算式中，比int類型小的整型值首先提升為較大的整數類型
• 在條件中，非布爾值轉換為布爾類型
• 初始化過程中，初始值轉換成變數的類型；在指派陳述式中，右側運算對象轉換成左側運算對象的類型
• 如果算術運算或關係運算的運算對象有多種類型，需要轉換成同一種類型
• 函數調用時也會發生類型轉換

 

又稱為“標準轉換”，包括以下幾種情況：
1) 算術轉換(Arithmetic conversion) : 在混合類型的算術運算式中, 最寬的資料類型成為目標轉換類型。

 

int ival = 3;
double dval = 3.14159;

ival + dval;//ival被提升為double類型

2)一種類型運算式賦值給另一種類型的對象：目標類型是被賦值對象的類型

int *pi = 0; // 0被轉化為int *類型
ival = dval; // double->int

例外：void指標賦值給其他指定類型指標時，不存在標準轉換，編譯出錯

3)將一個運算式作為實參傳遞給函數調用，此時形參和實參類型不一致：目標轉換類型為形參的類型

extern double sqrt(double);

cout << "The square root of 2 is " << sqrt(2) << endl;
//2被提升為double類型：2.0

4)從一個函數返回一個運算式，運算式類型與傳回型別不一致：目標轉換類型為函數的傳回型別

double difference(int ival1, int ival2)
{
    return ival1 - ival2;
    //傳回值被提升為double類型
}

 

其他隱式轉換

除了算術轉換之外還有幾種隱式轉換，包括如下幾種：

數群組轉換成指標： 在大多數用到數組的運算式中，數組自動轉換成指向數組首元素的指標：

int ia[10];   //含有10個整數的數組

int *ip=ia;  //ia轉換成指向數組首元素的指標

當數組被用作decltype關鍵字的參數，或者作為取地址符（&）、sizeof及typeid等運算子的運算對象時，上述轉換不會發生。同樣的，如果用一個引用來初始化數組，上述轉換也不會發生。

指標的轉換：C++還規定了幾種其他轉換方式，包括常量整數值0或字面值nullptr能轉換成任意指標類型；指向任意非常量的指標能轉換成void*；指向任意對象的指標能轉換成const void*。

轉換成布爾類型：存在一種從算術類型或指標類型向布爾類型自動轉換的機制。如果指標或算術類型的值為0，轉換結果為false；否則轉換結果是true；

轉換成常量：允許將指向非常量類型的指標轉換成指向相應的常量類型的指標，對於引用也是這樣。也就是說，如果T是一種類型，我們就能將指向T的指標或引用分別轉換成指向const T的指標或引用。相反的轉換不存在，因為它試圖刪除掉底層const。

類類型定義的轉換：類類型能定義由編譯器自動執行的轉換，不過編譯器每次只能執行一種類類型的轉換。

 

第2部分. 顯式類型轉換

被稱為“強制類型轉換”(cast)
C     風格： (type-id)
C++風格： static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast..

 

關於強制類型轉換的問題，很多書都討論過，寫的最詳細的是C++ 之父的《C++ 的設計和演化》。最好的解決方案就是不要使用C風格的強制類型轉換，而是使用標準C++的類型轉換符：static_cast, dynamic_cast。標準C++中有四個類型轉換符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast。下面對它們一一進行介紹。 static_cast 用法：static_cast < type-id > ( expression ) 說明：該運算子把expression轉換為type-id類型，但沒有運行時類型檢查來保證轉換的安全性。 來源：為什麼需要static_cast強制轉換？ 情況1：void指標->其他類型指標 情況2：改變通常的標準轉換 情況3：避免出現可能多種轉換的歧義 用法：static_cast < type-id > ( exdivssion )  該運算子把exdivssion轉換為type-id類型，但沒有運行時類型檢查來保證轉換的安全性。它主要有如下幾種用法： ①用於類階層中基類和子類之間指標或引用的轉換。 　　進行上行轉換（把子類的指標或引用轉換成基類表示）是安全的； 　　進行下行轉換（把基類指標或引用轉換成子類表示）時，由於沒有動態類型檢查，所以是不安全的。 ②用於基礎資料型別 (Elementary Data Type)之間的轉換，如把int轉換成char，把int轉換成enum。這種轉換的安全性也要開發人員來保證。 ③把null 指標轉換成目標類型的null 指標。 ④把任何類型的運算式轉換成void類型。 注意：static_cast 不能轉換掉exdivssion的const、volitale、或者__unaligned屬性。 它主要有如下幾種用法： 用於類階層中基類和子類之間指標或引用的轉換。進行上行轉換（把子類的指標或引用轉換成基類表示）是安全的；進行下行轉換（把基類指標或引用轉換成子類指標或引用）時，由於沒有動態類型檢查，所以是不安全的。 用於基礎資料型別 (Elementary Data Type)之間的轉換，如把int轉換成char，把int轉換成enum。這種轉換的安全性也要開發人員來保證。 把void指標轉換成目標類型的指標(不安全!!) 把任何類型的運算式轉換成void類型。 注意：static_cast不能轉換掉expression的const、volitale、或者__unaligned屬性。 dynamic_cast 用法：dynamic_cast < type-id > ( expression ) 說明：該運算子把expression轉換成type-id類型的對象。Type-id必須是類的指標、類的引用或者void *；如果type-id是類指標類型，那麼expression也必須是一個指標，如果type-id是一個引用，那麼expression也必須是一個引用。 來源：為什麼需要dynamic_cast強制轉換？ 簡單的說，當無法使用virtual函數的時候  用法：dynamic_cast < type-id > ( exdivssion ) 該運算子把exdivssion轉換成type-id類型的對象。Type-id必須是類的指標、類的引用或者void *； 如果type-id是類指標類型，那麼exdivssion也必須是一個指標，如果type-id是一個引用，那麼exdivssion也必須是一個引用。 dynamic_cast主要用於類層次間的上行轉換和下行轉換，還可以用於類之間的交叉轉換。 在類層次間進行上行轉換時，dynamic_cast和static_cast 的效果是一樣的； 在進行下行轉換時，dynamic_cast具有類型檢查的功能，比static_cast 更安全。   上行轉換（up-casting）與下行轉換（down-casting）   看到這個，讀者可能會問，哪些轉換不安全？根據前面所舉的例子，可以看到，不安全來源於兩個方面：其一是類型的窄化轉化，會導致資料位元數的丟失；其二是在類繼承鏈中，將父類對象的地址（指標）強制轉化成子類的地址（指標），這就是所謂的下行轉換。“下”表示沿著繼承鏈向下走（向子類的方向走）。 類似地，上行轉換的“上”表示沿繼承鏈向上走（向父類的方向走）。 我們給出結論，上行轉換一般是安全的，下行轉換很可能是不安全的。 為什麼呢？因為子類中包含父類，所以上行轉換（只能調用父類的方法，引用父類的成員變數）一般是安全的。但父類中卻沒有子類的任何資訊，而下行轉換會調用到子類的方法、引用子類的成員變數，這些父類都沒有，所以很容易“指鹿為馬”或者乾脆指向不存在的記憶體空間。 值得一說的是，不安全的轉換不一定會導致程式出錯，比如一些窄化轉換在很多場合都會被頻繁地使用，前提是程式員足夠小心以防止資料溢出；下行轉換關鍵看其“本質”是什麼，比如一個父類指標指向子類，再將這個父類指標轉成子類指標，這種下行轉換就不會有問題。   針對類指標的問題，C++特別設計了更加細緻的轉換方法，分別有： static_cast <new_type> (expression) dynamic_cast <new_type> (expression) reinterpret_cast <new_type> (expression) const_cast <new_type> (expression) 可以提升轉換的安全性。 class B{ public: int m_iNum; virtual void foo(); }; class D:public B{ public: char *m_szName[100]; }; void func(B *pb){ D *pd1 = static_cast (pb); D *pd2 = dynamic_cast(pb); } 在上面的程式碼片段中，如果pb指向一個D類型的對象，pd1和pd2是一樣的，並且對這兩個指標執行D類型的任何操作都是安全的； 但是，如果pb指向的是一個B類型的對象，那麼pd1將是一個指向該對象的指標，對它進行D類型的操作將是不安全的（如訪問m_szName）， 而pd2將是一個null 指標。 另外要注意：B要有虛函數，否則會編譯出錯；static_cast 則沒有這個限制。 這是由於運行時類型檢查需要運行時類型資訊，而這個資訊儲存在類的虛函數表（ 關於虛函數表的概念，詳細可見）中，只有定義了虛函數的類才有虛函數表， 沒有定義虛函數的類是沒有虛函數表的。 另外，dynamic_cast還支援交叉轉換（cross cast）。如下代碼所示。 class A{ public: int m_iNum; virtual void f(){} }; class B:public A{ }; class D:public A{ }; void foo(){ B *pb = new B; pb->m_iNum = 100; D *pd1 = static_cast (pb); //compile error D *pd2 = dynamic_cast(pb); //pd2 is NULL delete pb; } 在函數foo中，使用static_cast 進行轉換是不被允許的，將在編譯時間出錯；而使用 dynamic_cast的轉換則是允許的，結果是null 指標。   典型案例： Wicrosoft公司提供給我們一個類庫，其中提供一個類Employee.以標頭檔Eemployee.h和類庫.lib分發給使用者 顯然我們並無法得到類的實現的原始碼 //Emplyee.h class Employee  { public:     virtual int salary(); }; class Manager : public Employee { public:      int salary(); }; class Programmer : public Employee { public:     int salary(); }; 我們公司在開發的時候建立有如下類: class MyCompany { public:     void payroll(Employee *pe);     // }; void MyCompany::payroll(Employee *pe) {     //do something } 但是開發到後期，我們希望能增加一個bonus()的成員函數到W$公司提供的類層次中。 假設我們知道原始碼的情況下，很簡單，增加虛函數： //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()通過多態來調用bonus() class MyCompany { public:     void payroll(Employee *pe);     // }; void MyCompany::payroll(Employee *pe) {     //do something     //pe->bonus(); } 但是現在情況是，我們並不能修改原始碼，怎麼辦？dynamic_cast華麗登場了！ 在Employee.h中增加bonus()聲明，在另一個地方定義此函數，修改調用函數payroll().重新編譯，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();//直接在這裡擴充 }; //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實際指向一個Programmer對象,dynamic_cast成功，並且開始指向Programmer對象起始處     if(pm)     {         //call Programmer::bonus()     }     //如果pe不是實際指向Programmer對象，dynamic_cast失敗，並且pm = 0     else     {         //use Employee member functions     } } dynamic_cast主要用於類層次間的上行轉換和下行轉換，還可以用於類之間的交叉轉換。 在類層次間進行上行轉換時，dynamic_cast和static_cast的效果是一樣的；在進行下行轉換時，dynamic_cast具有類型檢查的功能，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); } 在上面的程式碼片段中， 如果pb實際指向一個Derived類型的對象，pd1和pd2是一樣的，並且對這兩個指標執行Derived類型的任何操作都是安全的； 如果pb實際指向的是一個Base類型的對象，那麼pd1將是一個指向該對象的指標，對它進行Derived類型的操作將是不安全的（如訪問m_szName），而pd2將是一個null 指標(即0，因為dynamic_cast失敗)。 另外要注意：Base要有虛函數，否則會編譯出錯；static_cast則沒有這個限制。這是由於運行時類型檢查需要運行時類型資訊，而這個資訊儲存在類的虛函數表（關於虛函數表的概念，詳細可見<Inside c++ object model>）中，只有定義了虛函數的類才有虛函數表，沒有定義虛函數的類是沒有虛函數表的。 另外，dynamic_cast還支援交叉轉換（cross cast）。如下代碼所示。 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; } 在函數foo中，使用static_cast進行轉換是不被允許的，將在編譯時間出錯；而使用 dynamic_cast的轉換則是允許的，結果是null 指標。 reinpreter_cast 用法：reinpreter_cast<type-id> (expression) 說明：type-id必須是一個指標、引用、算術類型、函數指標或者成員指標。它可以把一個指標轉換成一個整數，也可以把一個整數轉換成一個指標（先把一個指標轉換成一個整數，在把該整數轉換成原類型的指標，還可以得到原先的指標值）。 該運算子的用法比較多。 const_cast 用法：const_cast<type_id> (expression) 說明：該運算子用來修改類型的const或volatile屬性。除了const 或volatile修飾之外， type_id和expression的類型是一樣的。 常量指標被轉化成非常量指標，並且仍然指向原來的對象；常量引用被轉換成非常量引用，並且仍然指向原來的對象；常量對象被轉換成非常量對象。 Voiatile和const類試。舉如下一例： class B{ public: int m_iNum; } void foo(){ const B b1; b1.m_iNum = 100; //comile error B b2 = const_cast<B>(b1); b2. m_iNum = 200; //fine } 上面的代碼編譯時間會報錯，因為b1是一個常量對象，不能對它進行改變；使用const_cast把它轉換成一個常量對象，就可以對它的資料成員任意改變。注意：b1和b2是兩個不同的對象。