C++新式转型

　　　　本文对四种标准C++的类型转换符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast进行了介绍，通过本文应当能够理解这四个类型转换操作符的含义。 在学习转型之前，文章Effective C++ —— 实现（五）中条款27将告诉你应该慎重并少用转型。

内容简介： 
　　有四种标准C++的类型转换符：static_cast、dynamic_cast、reinterpret_cast、和const_cast。 
　　dynamic_cast:动态类型转换，一般用在父类和子类指针或应用的互相转化; 
　　static_cast:静态类型转换，一般是普通数据类型转换(如int m=static_cast<int>(3.14)); 
　　reinterpret_cast:重新解释类型转换，很像c的一般类型转换操作; 
　　const_cast:常量类型转换，是把cosnt或volatile属性去掉。 
下面将依次对它们进行相对详细地介绍。

主要内容： 
　　一、static_cast 
　　二、dynamic_cast 
　　三、reinterpret_cast 
　　四、const_cast 
　　五、其它

一、static_cast 
=================================================== 
[用法]：static_cast < type-id > ( expression ) 
[功能] 
　　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。 
[描述]

　　支持子类指针到父类指针的转换，并根据实际情况调整指针的值，反过来也支持，但会给出编译警告，它作用最类似C风格的“强制转换”，一般来说可认为它是安全的。
主要有如下几种用法： 
　　(a)用于类层次结构中基类（父类）和派生类（子类）之间指针或引用的转换。 
　　　　进行上行转换（把派生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派生类表示）时，由于没有动态类型检查，所以是不安全的。 
　　(b)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。 
　　(c)把空指针转换成目标类型的空指针。 
　　(d)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。 
[举例] 
　　这里，关于static_cast的使用举例，通过与reinterpret_cast的例子进行对比，容易理解，所以参见后面reinterpret_cast的使用举例部分中对static_cast的使用方法。

二、dynamic_cast 
=========================================== 
[用法]：dynamic_cast < type-id > ( expression ) 
[功能] 
　　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 *。 
[描述] 
　　支持子类指针到父类指针的转换，并根据实际情况调整指针的值，和static_cast不同，反过来它就不支持了，会导致编译错误，这种转换是最安全的转换。 
　　(a).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。 
　　(b).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。 
　　(c).在类层次间进行上行(派生类向基类转型)转换时，dynamic_cast和static_cast的效果是一样的； 
　　(d).在进行下行(基类向派生类转型)转换时，dynamic_cast具有类型检查的功能，比static_cast更安全。 
[举例] 
　　1)在类层次间进行转换 代码如下：

class B{
public:
       int m_iNum;
       virtual void foo();
}; 
 
class D:public B{
    public:
       char *m_szName[];
}; 
 
void func(B *pb){
    D *pd1 = static_cast<D *>(pb);
    D *pd2 = dynamic_cast<D *>(pb);
} 

这里可见，使用dynamic_cast进行转换，如果出现了把指向父类对象的指针，转换成了子类的指针的时候(安全下行转型)，就会返回空值。

　　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<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。 

　　2)类之间的交叉转换 代码如下：

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 = ; 
 
    D *pd1 = static_cast<D *>(pb);    //compile error???实践好象没有编译错误
    D *pd2 = dynamic_cast<D *>(pb); //pd2 is NULL
    delete pb;
} 

这里，可见，如果出现了交叉转换的情况那么dynamic_cast将会返回空值。

　　在函数foo中，使用static_cast进行类交叉转换是不被允许的，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。

dynamic_cast例子如下：

#include <iostream>
using namespace std;
 
class Base
{
    public:
        virtual ~Base() {}
};
class Derived:public Base
{
    public:
        void blink() { cout << "Derived blink." << endl; }
};
class Derived1
{
    public:
        void blink() { cout << "Derived1 blink." << endl; }
};
 
int main()
    {
        //  使用dynamic_cast，Base 转 Derived 返回null，基类向派生类的安全向下转型
        Base* b1 = new Base();
        Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(b1);  // 直接 “Derived* d = b1;” 会报错
        if (d == NULL)
            cout << "d is nullptr." << endl;         //被执行
        else
            cout << "d is val = " << d << endl;
        d->blink();    // 同样被执行，虽然d == NULL，但同时会执行其类型Derived类中的相应函数
 
        //  使用static_cast，Base 转 Derived 返回 一个指针值,检测不合法的转型也不会将指针置为NULL
        Derived* dd = static_cast<Derived*>(b1);
        if (dd == NULL)
            cout << "dd is nullptr." << endl;
        else
            cout << "dd is val = " << dd << endl;   //被执行
        dd->blink();    //被执行
 
        // Derived 转 Base，自然语法下就能完成派生类向基类转型
        Derived* ddd = new Derived();
        Base* bb = ddd;    // 不用使用转换
        if (bb == NULL)
            cout << "bb is nullptr." << bb << endl;
        else
            cout << "bb is val = " << bb << endl;
　　　　 // bb->blink(); 基类没有此方法，报错
 
        // cross跨 类体系 的转型
        Derived1* d1 = dynamic_cast<Derived1*>(b1);
        if (d1 == NULL)
            cout << "d1 is nullptr." << d1 << endl;
        else
            cout << "d1 is val = " << d1 << endl;
        d1->blink();
        return ;
    }
 
//output ----------------------------------------------------------------------------------------------
d is nullptr.
Derived blink.
dd is val = 0x361708
Derived blink.
bb is val = 0x3622e8
d1 is nullptr.
Derived1 blink.
请按任意键继续. . .

三、reinterpret_cast 
===================== ====================================
[用法]：reinterpret_cast<type-id> (expression) 
[功能] 
　　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）。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。 
[描述] 
　　reinterpret_cast是C++里的强制类型转换符，支持任何转换，但仅仅是如它的名字所描述的“重解释”而已。也就是说：操作符修改了操作数类型,但仅仅是重新解释了给出的对象的比特模型而没有进行二进制转换。例如：

int *n= new int;
double *d=reinterpret_cast<double*> (n); 

在进行计算以后, d包含无用值.这是因为reinterpret_cast仅仅是复制n的比特位到d, 没有进行必要的分析。 
　　reinterpret_cast是为了映射到一个完全不同类型的意思，这个关键词在我们需要把类型映射回原有类型时用到它。我们映射到的类型仅仅是为了故弄玄虚和其他目的，这是所有映射中最危险的(C++编程思想中的原话)。将static_cast和reinterpret_cast对比一下进行解释，比较容易理解：static_cast 和 reinterpret_cast 操作符修改了操作数类型，但是reinterpret_cast 仅仅是重新解释了给出的对象的比特模型而没有进行二进制转换。例如：

int n=;
double d=static_cast<double>(n);

　　上面的例子中, 我们将一个变量从int转换到double。这些类型的二进制表达式是不同的,所以将整数9转换到双精度整数9，static_cast需要正确地为双精度整数d补足比特位。其结果为 9.0。而reinterpret_cast 的行为却不同:

int n=;
double d=reinterpret_cast<double & >(n); 

　　这里, 和static_cast不同，在进行计算以后, d包含无用值。这是因为reinterpret_cast仅仅是复制n的比特位到d, 没有进行必要的分析. 因此, 需要谨慎使用 reinterpret_cast。 
[举例] 
　　这个例子，将static_cast和reinterpret_cast对比进行测试，具体的输出参见其中的注释。

   #include <iostream>
   using std::cout;
   using std::endl;
   class CBaseX
   {
       public:
           int x;
           CBaseX() { x = ; }
           void foo() { printf("CBaseX::foo() x=%d/n", x); }
 };
 class CBaseY
 {
     public:
         int y;
         int* py;
         CBaseY() { y = ; py = &y; }
         void bar() { printf("CBaseY::bar() y=%d, *py=%d/n", y, *py);}
 };
 class CDerived : public CBaseX, public CBaseY
 {
     public:
         int z;
 }; 
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     float f = 12.3;
     float* pf = &f; 
 
     //基本类型的转换
     cout<<"=================Basic Cast================="<<endl;
     //======static cast<>的使用:
     int n = static_cast<int>(f); //成功编译
     cout<<"n is :"<<n<<endl;//n = 12
     //int* pn = static_cast<int*>(pf);//编译错误，指向的类型是无关的,不能将指针指向无关的类型
     void* pv = static_cast<void*>(pf);//编译成功
     int* pn2 = static_cast<int*>(pv);//成功编译, 但是 *pn2是无意义的内存（rubbish）
     cout<<"pf is:"<<pf<<",pv is:"<<pv<<",pn2 is:"<<pn2<<endl;//三者值一样
     cout<<"*pf is:"<<*pf<<",*pn2 is:"<<*pn2<<endl;//pf=12.3,pn2是无用值，注意无法使用"*pv"因为编译错。 
 
     //======reinterpret_cast<>的使用:
     //int i = reinterpret_cast<int>(f);//编译错误，类型‘float’到类型‘int’的转换无效.
     //成功编译, 但是 *pn 实际上是无意义的内存,和 *pn2一样
     int* pi = reinterpret_cast<int*>(pf);
     cout<<"pf is:"<<pf<<",pi is:"<<pi<<endl;//值一样
     cout<<"*pf is:"<<*pf<<",*pi is:"<<*pi<<endl;//pi是无用值，和pn2一样。 
 
     //对象类型的转换
     cout<<"=================Class Cast================="<<endl;
     CBaseX cx;
     CBaseY cy;
     CDerived cd; 
 
     CDerived* pD = &cd;
     CBaseX *pX = &cx;
     CBaseY *pY = &cy;
     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<endl; 
 
     //======static_cast<>的使用:
     CBaseY* pY1 = pD;  //隐式static_cast转换
     //不一样是因为多继承，pD还要前移动以便也指向CBaseX.
     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* pY1 = "<<pY1<<endl;//pY1=pD+4!!!!!! 
 
     //CDerived* pD1 = pY1;//编译错误,类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CDerived*’ 的转换无效
     CDerived* pD1 = static_cast<CDerived*>(pY1);//成功编译
     cout<<"CDerived* pD1 = "<<pD1<<endl;//现在 pD1 = pD 
 
     //pX = static_cast<CBaseX*>(pY);//编译错误，从类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CBaseX*’ 中的 static_cast 无效。
     pD1 = static_cast<CDerived*>(pY);//竟然可以编译通过!!!!!!
     cout<<"CDerived* pD1 = "<<pD1<<",CBaseY *pY = "<<pY<<endl;//现在 pD1 = pY-4
     //======reinterpret_cast<>的使用:
     CBaseY* pY2 = reinterpret_cast<CBaseY*>(pD);// 成功编译, 但是 pY2 不是 CBaseY*
     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* pY2 = "<<pY2<<endl;//pY2=pD!!!!!! 
 
     //======通过void的转换注意：
     CBaseY* ppY = pD;
     cout<<"CDerived* pD = "<<pD<<",CBaseY* ppY = "<<ppY<<endl;//ppY = pD + 4 
 
     void* ppV1 = ppY; //成功编译
     cout<<"CBaseY* ppY = "<<ppY<<",void* ppV1 = "<<ppV1<<endl;//ppV1 = ppY 
 
     //CDerived* ppD2 = ppV1;//编译错误,类型‘void*’ 到类型 ‘CDerived*’的转换无效
     CDerived* ppD2 = static_cast<CDerived*>(ppV1);
     cout<<"CDerived* ppD2 = "<<ppD2<<endl;//ppD2 = ppY, 但是我们预期 ppD2 = ppY - 4 = pD
     //ppD2->bar();//系统崩溃,段错误
     return ;
 } 

这里，需要注意的地方是:

　　*第63行中基类指针pY1被赋予子类指针pD后，pY1=pD+4而不是pD，因为pD是多继承，pD还要前移动以便也指向CBaseX.内存布局大致如下： 
       +CDerived------------------+ 
       |   +CBase X--------+      |\ 
       |   |  int x        |      | 4 bytes 
       |   +---------------+      |/ 
       |                          | 
       |   +CBase Y--------+      | 
       |   |  int y,*py    |      | 
       |   +---------------+      | 
       +--------------------------+ 
　　*第69行和70行的可以将父类指针用static_cast强制转换成子类指针，但是两个无关的类的指针之间却不能转换。 
　　*第74行中使用reinterpret_cast将子类指针强制转换赋给父类指针后，却没有像static_cast那样将父类指针位置调整以指向正确的对象位置，这样导致虽然两者值是一样的，但是父指针所指向的内容却不是父对象了。 
　　*第76行之后使用void将子类转换成父类再转回子类，却无法使用了。 
　　因为任何指针可以被转换到void*，而void*可以被向后转换到任何指针（对于static_cast<> 和 reinterpret_cast<>转换都可以这样做），如果没有小心处理的话错误可能发生。一旦我们已经转换指针为void*，我们就不能轻易将其转换回原类所以使用void转换的时候一定要小心。在上面的例子中，从一个void* 返回CDerived*的唯一方法是将其转换为CBaseY*然后再转换为CDerived*。但是如果我们不能确定它是CBaseY* 还是 CDerived*，这时我们不得不用dynamic_cast<> 或typeid[2](dynamic_cast<>需要类成为多态，即包括“虚”函数，并因此而不能成为void*)。 
[其它] 
　　dynamic_cast<>，从另一方面来说，可以防止一个泛型CBaseY* 被转换到CDerived*。

四、const_cast 
====================================================== 
[用法]：const_cast<type_id> (expression) 
[功能] 
　　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。 
[描述] 
　　const_cast剥离一个对象的const属性，允许对常量进行修改。 
　　(a).常量指针被转化成非常量指针，并且仍然指向原来的对象； 
　　(b).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类似。参见后面的例子可以了解更多信息。 
[举例] 

　　给出的源代码如下：

   #include <iostream>
   using std::cout;
   using std::endl; 
 
   class CTest
   {
       public:
           CTest(int i){m_val = i;cout<<"construction"<<m_val<<endl;}
           ~CTest(){cout<<"destructionn"<<endl;}
         void SelfAdd(){m_val++;};
         int m_val;
 }; 
 
 int main(int argc, char *argv[])
 {
     const int ic = ;
     //int cc = const_cast<int>(ic);//编译错误
     int cc = const_cast<int&>(ic);
     cout<<cc<<endl;//输出100
     //const_cast<int &>(&ic)=200;//编译错误，从类型 ‘const int*’ 到类型 ‘int&’ 中的 const_cast 无效
     const_cast<int &>(ic)=;
     cout<<ic<<endl;//输出100
     cout<<*(&ic)<<endl;//输出100
     //int *pc = &ic;//编译错误，从类型 ‘const int*’ 到类型 ‘int*’ 的转换无效
     const int *pc=&ic;
     //const_cast<int &>(pc)=200;//编译错误，从类型 ‘const int**’ 到类型 ‘int*’ 中的 const_cast 无效
     const_cast<int &>(ic)=;
     //printf("%d,%d/n", ic, *pc);
     cout<<ic<<','<<*pc<<endl;//100,200
     //int *ppc = const_cast<int*>(ic);//编译错误
     int *ppc = const_cast<int*>(&ic);
     *ppc = ;
     cout<<ic<<','<<*ppc<<endl;//100,300 
 
     const CTest test();
     CTest test2();
     //test = test2;//编译错误，无法给常量赋值
     const_cast<CTest &>(test)= test2;
     cout<<test.m_val<<endl;//输出1050
 } 

　　这里，结果输出参见每行代码相应的注释。根据结果可知：凡是对结构体或类进行这个转换，都是成功的，但对char，short等基本类型的转换，通过直接打印变量显示其值都是不成功的，但是通过指针却能显示出修改之后的值。

　　通过对代码进行反汇编，可知，虽然本身我们没有使用优化，但系统还是对ic这个const进行了预编译般的替换，将它替换成“64h”（十六进制的64就是十进制的100），这肯定不是一般用户想要的结果，如果它不是一个C++的规范，应该算是个C++的bug吧。 
[其他] 注意， 
　　(1)操作对象 
　　const_cast操作的对象必须是pointer, reference, nor a pointer-to-data-member type，如下代码是错误的：

const int a = ;
int aa = const_cast<int>(a); 

　　而使用引用的方式,如下却是正确的：

const int a = ;
int aa = const_cast<int&>(a); 

　　(2)可能的误解 
　　可能上面的描述有误解的地方，根据参考资料中的一个评论，说：const_cast只能修改变量的常引用的const属性，和变量的常指针的const属性，还有对象的const属性。要想改变常量本身的值是不可能的，也就是说，你改变的是引用的const属性，而不是常量本身的const属性。估计 const int ic = 100; 定义的时候就已经将这个基础类型对象放入常量符号表里面了，永远不会改变它的值。

五、其它 
===================== ===========================
做为一个对前面所说的四种类型转换操作符的补充，对它们之间的区别大致进行说明一下，如下： 
1，static_cast和dynamic_cast的对比： 
　　1)static_cast在编译期间发现错误。 
对于基本类型，它不允许将一种类型的指针指向另一种类型,所以如下代码是错误的：

float f = 12.3;
float* pf = &f;
int* pn = static_cast<int*>(pf);//编译错误，指向的类型是无关的,不能将指针指向无关的类型 

对于复合类型（例如类），它允许转换子对象地址赋值给父指针，也允许转换父对象地址赋值给子指针，但是不允许两个无关的类之间的转换，所以如下是错误的：

CBaseX *pX = &cx;
CBaseY *pY = &cy;
pX = static_cast<CBaseX*>(pY);//编译错误，从类型 ‘CBaseY*’ 到类型 ‘CBaseX*’ 中的 static_cast 无效。

　　2)dynamic_cast在运行期间发生错误，它只允许它允许转换子对象地址赋值给父指针，其它情况都返回空。 如:

    B *pb = new B;
    D *pd = dynamic_cast<D *>(pb); //pd is NULL
    delete pb; 

2，static_cast，dynamic_cast和reinterpret_cast之间的对比： 
　　1)static_cast和dynamic_cast可以执行指针到指针的转换，或实例本身到实例本身的转换，但不能在实例和指针之间转换。static_cast只能提供编译时的类型安全，而dynamic_cast可以提供运行时类型安全。举个例子：

class A { ... };
class B:public A { ... };
class C { ... };
 
//上面三个类A是基类，B继承A，C和A,B没有关系
//假设有一个函数
void function(A& a);
//现在有一个对象是B的实例b，一个C的实例c
function(static_cast<A&>(b); //通过编译
function(static_cast<A&>(c)) //不能通过编译，因为在编译的时候编译器已经知道C和A的类型不符，因此static_cast可以保证安全。

　　2)reinterpret_cast可以转换任意一个32bit整数，包括所有的指针和整数。可以把任何整数转成指针，也可以把任何指针转成整数，以及把指针转化为任意类型的指针，威力最为强大！但不能将非32bit的实例转成指针。总之，只要是32bit的东东，怎么转都行！对于刚刚说的例子，我们修改如下：

//先把C转成类型B
B& ref_b = reinterpret_cast<B&> c;
function(static_cast<A&>(ref_b)) //通过编译
//因为从编译器的角度来看，在编译时并不能知道ref_b实际上是c！
//function(dynamic_cast<A&>(ref_b))编译时能过，但在运行时就失败了，因为dynamic_cast在运行时检查了ref_b的实际类型，这样怎么也骗不过去了。

　　在应用多态编程时，当我们无法确定传过来的对象的实际类型时使用dynamic_cast，如果能保证对象的实际类型，用static_cast就可以了。至于reinterpret_cast很象c语言那样的暴力转换。

参考资料： 
　　http://zhidao.baidu.com/question/81318972.html 
　　http://blog.csdn.net/guogangj/article/details/1545119 
　　http://zhidao.baidu.com/question/212970514.html 
　　http://blog.csdn.net/deyili/article/details/5354242

以上是从网上搜集的，以及根据自己的理解对C++中四种操作符号的总结，如有不准确的地方，感谢读者的告知。^_^ 
作者：QuietHeart 
Email：quiet_heart000@126.com 
日期：2011年7月12日