static_cast, dynamic_cast, const_cast探讨

static_cast

static_cast can perform conversions between pointers to related classes, not only upcasts (from pointer-to-derived to pointer-to-base), but also downcasts (from pointer-to-base to pointer-to-derived). No checks are performed during runtime to guarantee that the object being converted is in fact a full object of the destination type. Therefore, it is up to the programmer to ensure that the conversion is safe. On the other side, it does not incur the overhead of the type-safety checks of dynamic_cast.

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class Base {}; class Derived: public Base {}; Base * a = new Base; Derived * b = static_cast(a);

This would be valid code, although b would point to an incomplete object of the class and could lead to runtime errors if dereferenced.

Therefore, static_cast is able to perform with pointers to classes not only the conversions allowed implicitly, but also their opposite conversions.

static_cast is also able to perform all conversions allowed implicitly (not only those with pointers to classes), and is also able to perform the opposite of these. It can:

• Convert from void* to any pointer type. In this case, it guarantees that if the void* value was obtained by converting from that same pointer type, the resulting pointer value is the same.
• Convert integers, floating-point values and enum types to enum types.

Additionally, static_cast can also perform the following:

• Explicitly call a single-argument constructor or a conversion operator.
• Convert to rvalue references.
• Convert enum class values into integers or floating-point values.
• Convert any type to void, evaluating and discarding the value.

首先回顾一下C++类型转换：

C++类型转换分为：隐式类型转换和显式类型转换

第1部分. 隐式类型转换

又称为“标准转换”，包括以下几种情况：
1) 算术转换(Arithmetic conversion) : 在混合类型的算术表达式中, 最宽的数据类型成为目标转换类型。

 

int ival = 3;
double dval = 3.14159;

ival + dval;//ival被提升为double类型

2)一种类型表达式赋值给另一种类型的对象：目标类型是被赋值对象的类型

int *pi = 0; // 0被转化为int *类型
ival = dval; // double->int

例外：void指针赋值给其他指定类型指针时，不存在标准转换，编译出错

3)将一个表达式作为实参传递给函数调用，此时形参和实参类型不一致：目标转换类型为形参的类型

extern double sqrt(double);

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

4)从一个函数返回一个表达式，表达式类型与返回类型不一致：目标转换类型为函数的返回类型

double difference(int ival1, int ival2)
{
    return ival1 - ival2;
    //返回值被提升为double类型
}

第2部分. 显式类型转换

被称为“强制类型转换”(cast)
C     风格： (type-id)
C++风格： static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast..

 

 

关于强制类型转换的问题，很多书都讨论过，写的最详细的是C++ 之父的《C++ 的设计和演化》。最好的解决方法就是不要使用C风格的强制类型转换，而是使用标准C++的类型转换符：static_cast, dynamic_cast。标准C++中有四个类型转换符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast。下面对它们一一进行介绍。

static_cast

用法：static_cast < type-id > ( expression )

说明：该运算符把expression转换为type-id类型，但没有运行时类型检查来保证转换的安全性。

来源：为什么需要static_cast强制转换？
情况1：void指针->其他类型指针
情况2：改变通常的标准转换
情况3：避免出现可能多种转换的歧义

它主要有如下几种用法：

• 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。
• 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。这种转换的安全性也要开发人员来保证。
• 把void指针转换成目标类型的指针(不安全!!)
• 把任何类型的表达式转换成void类型。

注意：static_cast不能转换掉expression的const、volitale、或者__unaligned属性。

dynamic_cast

用法：dynamic_cast < type-id > ( expression )

说明：该运算符把expression转换成type-id类型的对象。Type-id必须是类的指针、类的引用或者void *；如果type-id是类指针类型，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。

来源：为什么需要dynamic_cast强制转换？
简单的说，当无法使用virtual函数的时候

典型案例：
Wicrosoft公司提供给我们一个类库，其中提供一个类Employee.以头文件Eemployee.h和类库.lib分发给用户
显然我们并无法得到类的实现的源代码

//Emplyee.h
class Employee 
{
public:
    virtual int salary();
};

class Manager : public Employee
{
public: 
    int salary();
};

class Programmer : public Employee
{
public:
    int salary();
};

我们公司在开发的时候建立有如下类:

class MyCompany
{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};

void MyCompany::payroll(Employee *pe)
{
    //do something
}

但是开发到后期，我们希望能增加一个bonus()的成员函数到W$公司提供的类层次中。
假设我们知道源代码的情况下，很简单，增加虚函数：

//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()通过多态来调用bonus()

class MyCompany
{
public:
    void payroll(Employee *pe);
    //
};

void MyCompany::payroll(Employee *pe)
{
    //do something
    //pe->bonus();
}

但是现在情况是，我们并不能修改源代码，怎么办？dynamic_cast华丽登场了！
在Employee.h中增加bonus()声明，在另一个地方定义此函数，修改调用函数payroll().重新编译，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();//直接在这里扩展
};

//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实际指向一个Programmer对象,dynamic_cast成功，并且开始指向Programmer对象起始处
    if(pm)
    {
        //call Programmer::bonus()
    }
    //如果pe不是实际指向Programmer对象，dynamic_cast失败，并且pm = 0
    else
    {
        //use Employee member functions
    }
}

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。

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);
}

在上面的代码段中，
如果pb实际指向一个Derived类型的对象，pd1和pd2是一样的，并且对这两个指针执行Derived类型的任何操作都是安全的；
如果pb实际指向的是一个Base类型的对象，那么pd1将是一个指向该对象的指针，对它进行Derived类型的操作将是不安全的（如访问m_szName），而pd2将是一个空指针(即0，因为dynamic_cast失败)。
另外要注意：Base要有虚函数，否则会编译出错；static_cast则没有这个限制。这是由于运行时类型检查需要运行时类型信息，而这个信息存储在类的虚函数表（关于虚函数表的概念，详细可见）中，只有定义了虚函数的类才有虚函数表，没有定义虚函数的类是没有虚函数表的。

另外，dynamic_cast还支持交叉转换（cross cast）。如下代码所示。

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;
}

在函数foo中，使用static_cast进行转换是不被允许的，将在编译时出错；而使用 dynamic_cast的转换则是允许的，结果是空指针。

reinpreter_cast

用法：reinpreter_cast (expression)

说明：type-id必须是一个指针、引用、算术类型、函数指针或者成员指针。它可以把一个指针转换成一个整数，也可以把一个整数转换成一个指针（先把一个指针转换成一个整数，在把该整数转换成原类型的指针，还可以得到原先的指针值）。

该运算符的用法比较多。

const_cast

用法：const_cast (expression)

说明：该运算符用来修改类型的const或volatile属性。除了const 或volatile修饰之外， type_id和expression的类型是一样的。

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；常量对象被转换成非常量对象。

Voiatile和const类试。举如下一例：

class B{

public:

int m_iNum;

}

void foo(){

const B b1;

b1.m_iNum = 100; //comile error

B b2 = const_cast(b1);

b2. m_iNum = 200; //fine
}

上面的代码编译时会报错，因为b1是一个常量对象，不能对它进行改变；使用const_cast把它转换成一个常量对象，就可以对它的数据成员任意改变。注意：b1和b2是两个不同的对象。

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可以