C++ 中static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast总结

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zhaozhengcoder
0.6 2017.05.04 10:42* 字数 1772

C++中的类型转换分为两种:
隐式类型转换;
显式类型转换。

而对于隐式变换,在很多时候,不经意间就发生了,比如int类型和float类型相加时,int类型就会被隐式的转换位float类型,然后再进行相加运算。而关于隐式转换不是今天总结的重点,重点是显式转换。

在标准C++中有四个类型转换符:static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast;下面将对它们一一的进行总结。

1. static_cast

static_cast的转换格式:static_cast <type-id> (expression)

将expression转换为type-id类型,主要用于非多态类型之间的转换,不提供运行时的检查来确保转换的安全性。主要在以下几种场合中使用:

  1. 用于类层次结构中,基类和子类之间指针和引用的转换;
    当进行上行转换,也就是把子类的指针或引用转换成父类表示,这种转换是安全的;
    当进行下行转换,也就是把父类的指针或引用转换成子类表示,这种转换是不安全的,也需要程序员来保证;
  2. 用于基本数据类型之间的转换,如把int转换成char,把int转换成enum等等,这种转换的安全性需要程序员来保证;
  3. 把void指针转换成目标类型的指针,是及其不安全的;
    注:static_cast不能转换掉expression的const、volatile和__unaligned属性。
//隐式的类型转换
int firstnumber=10;
double result=(double)firstnumber/secondnumber;

//使用static_dynamic
double result=static_cast<double> (firstnumber/secondnumber);
  • 举个例子:
    将int(4字节)显示转换成short(2字节),用vs调试一下,发现static_cast的作用就是将高位截断。


再举一个例子,讲short显示转换成int,结果如下图所示。
short是2个字节,int是4个字节,将short转换成int之后,高位根据符号位补满。


so,小结一下static_cast:

  1. 基本数据类型之间的转换,如把int转换成char,把int转换成enum

  2. 用于类层次结构中基类和子类之间指针或引用的转换。
    进行上行转换(把子类的指针或引用转换成基类表示)是安全的;
    进行下行转换(把基类指针或引用转换成子类指针或引用)时,由于没有动态类型检查,所以是不安全的。

  3. 把void指针转换成目标类型的指针(不安全!!)

2. dynamic_cast

dynamic_cast的转换格式:dynamic_cast <type-id> (expression)

将expression转换为type-id类型,type-id必须是类的指针、类的引用或者是void *;如果type-id是指针类型,那么expression也必须是一个指针;如果type-id是一个引用,那么expression也必须是一个引用。

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。在多态类型之间的转换主要使用dynamic_cast,因为类型提供了运行时信息。下面我将分别在以下的几种场合下进行dynamic_cast的使用总结:

  1. 最简单的上行(xing)转换
    比如B继承自A,B转换为A,进行上行转换时,是安全的,如下:
#include <iostream>
using namespace std;
class A
{
     // ......
};
class B : public A
{
     // ......
};
int main()
{
     B *pB = new B;
     A *pA = dynamic_cast<A *>(pB); // Safe and will succeed
}
  1. 多重继承之间的上行转换
    C继承自B,B继承自A,这种多重继承的关系;但是,关系很明确,使用dynamic_cast进行转换时,也是很简单的:
class A
{
     // ......
};
class B : public A
{
     // ......
};
class C : public B
{
     // ......
};
int main()
{
     C *pC = new C;
     B *pB = dynamic_cast<B *>(pC); // OK
     A *pA = dynamic_cast<A *>(pC); // OK
}

而上述的转换,static_cast和dynamic_cast具有同样的效果。而这种上行转换,也被称为隐式转换;比如我们在定义变量时经常这么写:B *pB = new C;这和上面是一个道理的,只是多加了一个dynamic_cast转换符而已。

  1. 这个真的是重点)如果expression是type-id的基类,使用dynamic_cast进行转换时,在运行时就会检查expression是否真正的指向一个type-id类型的对象,如果是,则能进行正确的转换,获得对应的值;否则返回NULL,如果是引用,则在运行时就会抛出异常;例如:
class B
{
     virtual void f(){};
};
class D : public B
{
     virtual void f(){};
};
void main()
{
     B* pb = new D;   // unclear but ok
     B* pb2 = new B;
     D* pd = dynamic_cast<D*>(pb);   // ok: pb actually points to a D
     D* pd2 = dynamic_cast<D*>(pb2);   // pb2 points to a B not a D, now pd2 is NULL
}

这个就是下行转换,从基类指针转换到派生类指针。

在《More effective C++》里面看见一个很好的例子,也补充在这里

//定义
class Widget{};
class SpecialWidget:public Widget{};
void update(SpecialWidget  *psw);

Widget * pw;
...

//如果pw所指的是SpecialWidget ,那么就传递过去;如果pw指的是Widget ,
//那么传递过去的值是null
update(dynamic_cast<SpecialWidget  *> (pw)); 
  1. 对于一些复杂的继承关系来说,使用dynamic_cast进行转换是存在一些陷阱的;比如,有如下的一个结构:


    image.png

D类型可以安全的转换成B和C类型,但是D类型要是直接转换成A类型呢?

class A
{
     virtual void Func() = 0;
};
class B : public A
{
     void Func(){};
};
class C : public A
{
     void Func(){};
};
class D : public B, public C
{
     void Func(){}
};
int main()
{
     D *pD = new D;
     A *pA = dynamic_cast<A *>(pD); // You will get a pA which is NULL
}

如果进行上面的直接转,你将会得到一个NULL的pA指针;这是因为,B和C都继承了A,并且都实现了虚函数Func,导致在进行转换时,无法进行抉择应该向哪个A进行转换。正确的做法是:

int main()
{
     D *pD = new D;
     B *pB = dynamic_cast<B *>(pD);
     A *pA = dynamic_cast<A *>(pB);
}

这就是我在实现QueryInterface时,得到IUnknown的指针时,使用的是*ppv = static_cast<IX *>(this);而不是*ppv = static_cast<IUnknown *>(this);

对于多重继承的情况,从派生类往父类的父类进行转时,需要特别注意;比如有下面这种情况:


image.png

现在,你拥有一个A类型的指针,它指向E实例,如何获得B类型的指针,指向E实例呢?如果直接进行转的话,就会出现编译器出现分歧,不知道是走E->C->B,还是走E->D->B。对于这种情况,我们就必须先将A类型的指针进行下行转换,获得E类型的指针,然后,在指定一条正确的路线进行上行转换。

上面就是对于dynamic_cast转换的一些细节知识点,特别是对于多重继承的情况,很容易出现问题。

如何你是好奇宝宝,想知道dynamic_cast是如何实现的?

侯捷在《内存与对象》书里面做了一个详细的解释,我试着理解了一下。给一个blog : http://blog.csdn.net/bitboss/article/details/53574236

3. const_cast

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;

const_cast的作用是用来改变表达式里面的常量性(const)或易变性(volatile)。

#include <iostream>

using std::cout;
using std::endl;

int main(void)
{
    const int b = 10;
    //b = 11 报错,因为b是一个常量对象
    int * pc = const_cast<int *>(&b);
    *pc = 11;
    cout << "*pc = " << *pc << endl;//b原来地址的数据现在可由*pc来改变,即解除const
    cout << "b = " << b << endl; //b其实类似(编译器处理问题)#define b 10 不会变的

    return 0;
}
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