標準C++中有四個類型轉換符

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。

 

I.static_cast

 

用法：static_cast <type-id > ( expression )

 

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。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expression的const、volitale、或者__unaligned屬性。

                                                                                                                                                

II.dynamic_cast

主要用於執行“安全的向下轉型（safe down casting）”，也就是說，要確定一個對象是否是一個繼承體系中的一個特定類型。

用法：dynamic_cast <type-id > ( expression )

 

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。

 

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 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<D *>(pb);

D *pd2 = dynamic_cast<D*>(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<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 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<D *>(pb); //copile error

D *pd2 = dynamic_cast<D *>(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。

 

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向上轉換，比較安全，不再舉例。

向void*轉換

如果 type-id 是一個 void* ，運行時檢查將決定運算式的實際類型。結果是一個到 expression 指向的完整對象。例如：

class A { ... };

class B { ... };

void f()

{

  A* pa = new A;

  B* pb = new B;

  void* pv = dynamic_cast< void* >(pa);

  // pv指向一個 A 類型的對象

  ...

  pv = dynamic_cast<void*>(pb);

  // pv 指向一個 B 類型的對象

}

向下轉換

如果 type-id 不是 void* ，運行時檢查指向expression 的對象能否轉換為指向 type-id 類型的對象。

如果 expression 類型是 type-id 的基類，運行時檢查是否expression
實際是一個指向 type-id
類型的完整對象，如果是，結果返回指向 type-id
類型的完整對象，否則返回 NULL
。例如：

class B { ... };

class D : public B { ... };

void f()

{

  B* pb = new D;                // unclear but ok

  B* pb2 = new B;

   // 判斷一個基類指標指向的對象是否是一個指定子類型

  D* pd = dynamic_cast< D* >(pb);     //ok: pb實際指向 D, 返回D*

  D* pd2 = dynamic_cast< D* >(pb2);  // pb2實際指向 B 而不是 D,轉換失敗， pd2 是 NULL

  ...

}

在多重繼承的情況，可能導致二義性。

看一下下面的類繼承層次：

 

指向類型D的指標轉換為B或C都正常，但如果從D轉換到A將會怎麼樣來？這個結果導致轉換的二義性錯誤；為了結果這個問題，你可以指向兩次明確的轉型，例如：

void f()

{

  D* pd = new D;

  A* pa = dynamic_cast<A*>(pd);     //錯誤：二義性

  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);     //首先轉換到 B

  A* pa2 = dynamic_cast<A*>(pb);  // ok:明確的

}

在使用虛基類的時候就導致更複雜的模糊；看下面的類層次圖：

在這個繼承層次中，A是虛基類。假定一個類E的執行個體並且一個指向A子物件的指標，一次到B的dynamic_cast會由於不明確性導致失敗，你必須首先轉換到適當的層次，然後再向上轉換到確定的層次，一直按照這種方式直到到達正確的B對象。

看下面的類層次圖：

假定一個類型E的對象和一個指向D子物件的指標，從D子物件導航到左上A子物件，必須執行三個轉換。從D到E的dynamic_cast的轉換，然後一個從E到B的轉換（可以是dynamic_cast或者隱式轉換），最終是從B到A的轉換，例如：

void f(D* pd)

{

  E* pe = dynamic_cast<E*>(pd);// 這裡的 D 實際上是 E 類型的對象

  B* pb = pe;     // upcast, implicit conversion

  A* pa = pb;     // upcast, implicit conversion

}

交叉轉換

dynamic_cast 操作能執行交叉轉換，使用上面相同的類層次，從 B 子物件到 D 子物件轉換是可能的，只要完整的對象是 E 。

由於交叉轉換，從 D 指標到左上方 A 子物件的指標是可行的；首先從 D 到 B 的交叉轉換，然後隱式從 B 到 A 的轉換。例如：

void f(D* pd)

{

  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);     // cross cast

  A* pa = pb;                 // upcast, implicit conversion

}

一個 NULL 指標值通過 dynamic_cast 轉換到一個 NULL 指標。

當使用 dynamic_cast <type-id> (expression)時，如果 expression 不能安全的轉換到 type-id，運行時檢查導致轉型失敗，例如：

class A { ... };

class B { ... };

void f()

{

  A* pa = new A;

  B* pb = dynamic_cast<B*>(pa);     // fails, not safe;   B not derived from A

  ...

}

轉換失敗的指標類型是 NULL 指標。失敗的參考型別轉換拋出 bad_cast_exception 異常；如果 expression沒有指向或引用一個有效對象將拋出 __non_rtti_object 異常。

再看下面看一個交叉轉換例子:
struct B1{ virtual ~B1(){} };

structB2{ virtual ~B2(){} };

structD1 : B1, B2{};

intmain()

{

D1 d;

B1* pb1 = &d;

B2* pb2 = dynamic_cast<B2*>(pb1);//L1

B2* pb22 = static_cast<B2*>(pb1); //L2 失敗

return 0;

}

上述定義中可以看到,B1和B2是不相關的類,從L1可以看到,dynamic_cast允許這種轉換:只要B1存在多態方法. L2將編譯失敗,static_cast並不允許兩個完全不相干的類互相轉換.

dynamic_cast的這種特性，在提取一個對象的某個介面的時候，非常有用，它很類似於實現了COM的QueryInterface的功能。

dynamic_cast的討論：

在探究 dynamic_cast的設計意圖之前，值得留意的是很多 dynamic_cast
的實現都相當慢。

例如，至少有一種通用的實現部分地基於對類名字進行字串比較。如果你在一個位於四層深的單繼承體系中的對象上執行 dynamic_cast，在這樣一個實現下的每一個 dynamic_cast 都要付出相當於四次調用strcmp 來比較類名字的成本。對於一個更深的或使用了多繼承的繼承體系，付出的代價會更加昂貴。

對 dynamic_cast 的需要通常發生在這種情況下：你要在一個你確信為衍生類別的對象上執行衍生類別的操作，但是你只能通過一個基類的指標或引用來操控這個對象。

有兩個一般的方法可以避免這個問題：

第一個，使用儲存著直接指向衍生類別對象的指標的容器，從而消除通過基類介面操控這個對象的需要。當然，這個方法不允許你在同一個容器中儲存所有可能的基類的衍生類別的指標。為了與不同的視窗類別型一起工作，你可能需要多個型別安全（type-safe）的容器。

一個候選方法可以讓你通過一個基類的介面操控所有可能的 Window 衍生類別，就是在基類中提供一個讓你做你想做的事情的虛函數。例如，儘管只有 SpecialWindows 能 blink，在基類中聲明這個函數，並提供一個什麼都不做的預設實現或許是有意義的：

所以：

·避免強制轉型的隨時應用，特別是在效能敏感的代碼中應用 dynamic_casts，如果一個設計需要強制轉型，設法開發一個沒有強制轉型的侯選方案。

·如果必須要強制轉型，設法將它隱藏在一個函數中。客戶可以用調用那個函數來代替在他們自己的代碼中加入強制轉型。

·盡量用 C++ 風格的強制轉型替換舊風格的強制轉型。它們更容易被注意到，而且他們做的事情也更加明確。

 

III.reinpreter_cast

用法：reinpreter_cast<type-id>(expression)

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。

IV.const_cast

用法：const_cast<type_id>(expression)

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。