static_cast, dynamic_cast, const_cast探讨

简介: 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 何时发生隐式类型转换 在下面这些情况下,编译器会自动地转换运算对象的类型: 在大多数表达式中,比int类型小的整型值首先提升为较大的整数类型 在条件中,非布尔值转换为布尔类型 ...

 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

何时发生隐式类型转换

在下面这些情况下,编译器会自动地转换运算对象的类型:

  • 在大多数表达式中,比int类型小的整型值首先提升为较大的整数类型
  • 在条件中,非布尔值转换为布尔类型
  • 初始化过程中,初始值转换成变量的类型;在赋值语句中,右侧运算对象转换成左侧运算对象的类型
  • 如果算术运算或关系运算的运算对象有多种类型,需要转换成同一种类型
  • 函数调用时也会发生类型转换

 

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
}

 

其他隐式转换

除了算术转换之外还有几种隐式转换,包括如下几种:

数组转换成指针: 在大多数用到数组的表达式中,数组自动转换成指向数组首元素的指针:

int ia[10];   //含有10个整数的数组

int *ip=ia;  //ia转换成指向数组首元素的指针

当数组被用作decltype关键字的参数,或者作为取地址符(&)、sizeof及typeid等运算符的运算对象时,上述转换不会发生。同样的,如果用一个引用来初始化数组,上述转换也不会发生。

指针的转换:C++还规定了几种其他转换方式,包括常量整数值0或字面值nullptr能转换成任意指针类型;指向任意非常量的指针能转换成void*;指向任意对象的指针能转换成const void*。

转换成布尔类型:存在一种从算术类型或指针类型向布尔类型自动转换的机制。如果指针或算术类型的值为0,转换结果为false;否则转换结果是true;

转换成常量:允许将指向非常量类型的指针转换成指向相应的常量类型的指针,对于引用也是这样。也就是说,如果T是一种类型,我们就能将指向T的指针或引用分别转换成指向const T的指针或引用。相反的转换不存在,因为它试图删除掉底层const。

类类型定义的转换:类类型能定义由编译器自动执行的转换,不过编译器每次只能执行一种类类型的转换。

 

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_castdynamic_castreinterpret_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_castdynamic_castreinterpret_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

用法:static_cast < type-id > ( exdivssion ) 
该运算符把exdivssion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。它主要有如下几种用法:
①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表示)时,由于没有动态类型检查,所以是不安全的。
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。这种转换的安全性也要开发人员来保证。
③把空指针转换成目标类型的空指针。
④把任何类型的表达式转换成void类型。

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



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。
  • 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
 

用法:dynamic_cast < type-id > ( exdivssion )
该运算符把exdivssion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exdivssion也必须是一个指针,如果type-id是一个引用,那么exdivssion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。

 

上行转换(up-casting)与下行转换(down-casting)

 

看到这个,读者可能会问,哪些转换不安全?根据前面所举的例子,可以看到,不安全来源于两个方面:其一是类型的窄化转化,会导致数据位数的丢失;其二是在类继承链中,将父类对象的地址(指针)强制转化成子类的地址(指针),这就是所谓的下行转换。“下”表示沿着继承链向下走(向子类的方向走)。

类似地,上行转换的“上”表示沿继承链向上走(向父类的方向走)。

我们给出结论,上行转换一般是安全的,下行转换很可能是不安全的。

为什么呢?因为子类中包含父类,所以上行转换(只能调用父类的方法,引用父类的成员变量)一般是安全的。但父类中却没有子类的任何信息,而下行转换会调用到子类的方法、引用子类的成员变量,这些父类都没有,所以很容易“指鹿为马”或者干脆指向不存在的内存空间。

值得一说的是,不安全的转换不一定会导致程序出错,比如一些窄化转换在很多场合都会被频繁地使用,前提是程序员足够小心以防止数据溢出;下行转换关键看其“本质”是什么,比如一个父类指针指向子类,再将这个父类指针转成子类指针,这种下行转换就不会有问题。

 

针对类指针的问题,C++特别设计了更加细致的转换方法,分别有:

static_cast <new_type> (expression)
dynamic_cast <new_type> (expression)
reinterpret_cast <new_type> (expression)
const_cast <new_type> (expression)

可以提升转换的安全性。


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);
}

在上面的代码段中,如果pb指向一个D类型的对象,pd1和pd2是一样的,并且对这两个指针执行D类型的任何操作都是安全的;
但是,如果pb指向的是一个B类型的对象,那么pd1将是一个指向该对象的指针,对它进行D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。

另外要注意:B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 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。

 


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<Inside c++ object model>)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<type-id> (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<type_id> (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<B>(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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