C++中的四种类型转换
1引子
这篇笔记是根据StackOverflow上面的一个问题整理而成，主要内容是对C/C++当中四种类型转换操作进行举例说明。在之前其实对它们都是有所了解的，而随着自己在进行总结，并敲了一些测试示例代码进行验证之后，对它们的理解又深刻了一些。
总所周知，在C++当中引入了四种新的类型转换操作符：static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast，还有const_cast。就自己见过的一些C++代码当中，它们的使用其实并不普遍。不少程序员依然乐于去使用C-like的类型转换，因为它强大且编写起来又简单。据说C-Like类型转换操作符的作用实际上已经包括了static_cast,const_cast和reinterpret_cast三种操作符，你相信吗？一起来着看。
注：上面提到的C-Like类型转换操作有如下的两种形式，这一点大家一定都不会陌生。
(new-type)expression new-type(expression)
2static_castvsdynamic_cast
之所以把static_cast与dynamic_cast两兄弟放在一起是因为它们两者对比起来更容易记得住。首先，从名称上面它们就有语义相对的关系，一“静”一“动”。另外，在功能上面也在一定程度上体现了这一对比的特性，如dynamic_cast的Run-timeCheckingt，static_cast在编译时增加的类型检测。简单而言：
static_cast：1）完成基础数据类型，2）同一个继承体系中类型的转换
dynamic_cast：使用多态的场景，增加了一层对真实调用对象类型的检查
2.1从C-Like到static_cast
static_cast对于基础类型如int,float,char以及基础类型对应指针的处理大多情况下恰如C-Like的转换一样，不过static_cast会来得更加安全。
charc=10;//1个字节 int*p=(int*)&c;//4个字节（32bitplatform） *p=5;//内存踩脏 int*q=static_cast<int*>(&c);//使用static_cast可在编译阶段将该错误检查出来。
对于自定义类型的处理，相比C-Like而言，它也多了一层保护，也就是它不支持在不属于同一继承体系的类型之间进行转换。但是C-Like就可以办到，看下面这个例子：
#include<iostream>
classA
{
public:
A(){}
~A(){}
private:
inti,j;
};
classC
{
public:
C(){}
~C(){}
voidprintC()
{
std::cout<<"callprintC()inclassC"<<std::endl;
}
private:
charc1,c2;
};
intmain()
{
A*ptrA=newA;
//C*ptrC=static_cast<C*>(ptrA);
//编译无法通过，提示：
//Infunction‘intmain()':
//error:invalidstatic_castfromtype‘A*'totype‘C*'
C*ptrC=(C*)(ptrA);
ptrC->printC();
//编译正常通过。
//尽管这个时候能够正常调用printC，但实际上这种做法的结果是“undefined”
//尝试过，如果添加一些数据成员的运算，这个时候将会使得运算结果无法预测
//所以，在运行时候该逻辑相关的行为是不清晰的。
return0;
}
2.2static_cast对于自定义类型的转换
上面这个小例子简单对比了static_cast与C-Like在针对不同继承体系的类之间表现的差异性，现在先把范围缩小到同一继承体系当中的类型转换。（注：这里所说的类型一般是针对类的指针或者类的引用）
static_cast针对同一继承体系的类之间的转换，它既可以进行upcast也可以进行downcast。一般来说，在进行upcast时是没有问题的，毕竟子类当中一定包含有父类的相关操作集合，所以通过转换之后的指针或者引用来操作对应的对象，其行为上是可以保证没问题。这和使用static_cast与使用C-Like或者直接隐式转换效果一样（当然，其结果是否符合程序员本身的预期与当时的设计有关系）。
需要注意的是，使用static_cast进行downcast应该避免，因为它可以顺利逃过编译器的法眼，但在运行时却会爆发未定义的问题：
#include<iostream>
classA
{
public:
A():i(1),j(1){}
~A(){}
voidprintA()
{
std::cout<<"callprintA()inclassA"<<std::endl;
}
voidprintSum()
{
std::cout<<"sum="<<i+j<<std::endl;
}
private:
inti,j;
};
classB:publicA
{
public:
B():a(2),b(2){}
~B(){}
voidprintB()
{
std::cout<<"callprintB()inclassB"<<std::endl;
}
voidprintSum()
{
std::cout<<"sum="<<a+b<<std::endl;
}
voidAdd()
{
a++;
b++;
}
private:
doublea,b;
};
intmain()
{
B*ptrB=newB;
ptrB->printSum();
//打印结果：sum=4
A*ptrA=static_cast<B*>(ptrB);
ptrA->printA();
ptrA->printSum();
//打印结果：sum=2
//在进行upcast的时候，指针指向的对象的行为与指针的类型相关。
ptrA=newA;
ptrA->printSum();
//打印结果：sum=2
ptrB=static_cast<B*>(ptrA);
ptrB->printB();
ptrB->printSum();
//打印结果：sum=0
//在进行downcast的时候，其行为是“undefined”。
//Bb;
//B&rB=b;
//rB.printSum();
//打印结果：sum=4
//A&rA=static_cast<A&>(rB);
//rA.printA();
//rA.printSum();
//打印结果：sum=2
//在进行upcast的时候，引用指向的对象的行为与引用的类型相关。
//Aa;
//A&rA=a;
//rA.printSum();
//打印结果：sum=4
//B&rB=static_cast<B&>(rA);
//rB.printB();
//rB.printSum();
//打印结果：sum=5.18629e-317
//在进行downcast的时候，其行为是“undefined”。
return0;
}
如上，static_cast在对同一继承体系的类之间进行downcast时的表现，与C-Like针对分属不同继承体系的类之间进行转换时的表现一样，将是未定义的。所以，应该尽可能使用static_cast执行downcast转换，更准确的说，应该尽可能避免对集成体系的类对应的指针或者引用进行downcast转换。
既然这样，那是不是在软件开发过程当中就不会存在downcast的这种情况了呢？实际上不是的。一般来说，进行downcast的时候一般是在虚继承的场景当中，这个时候dynamic_cast就上场了。
2.3dynamic_cast
dynamic_cast的使用主要在downcast的场景，它的使用需要满足两个条件：
downcast时转换的类之间存在着“虚继承”的关系
转换之后的类型与其指向的实际类型要相符合
dynamic_cast对于upcast与static_cast的效果是一样的，然而因为dynamic_cast依赖于RTTI，所以在性能上面相比static_cast略低。
#include<iostream>
#include<exception>
classA
{
public:
virtualvoidprint()
{
std::cout<<"WelcometoWorldA!"<<std::endl;
}
};
classB:publicA
{
public:
B():a(0),b(0){}
~B(){}
virtualvoidprint()
{
std::cout<<"WelcometoWorldB!"<<std::endl;
}
private:
doublea,b;
};
intmain()
{
B*ptrB=newB;
A*ptrA=dynamic_cast<A*>(ptrB);
ptrA->print();
//在虚继承当中，针对指针执行upcast时dynamic_cast转换的效果与static_cast一样
//对是否存在virtual没有要求，会实际调用所指向对象的成员。
//A*ptrA=newA;
//B*ptrB=dynamic_cast<B*>(ptrA);
//ptrB->print();
//Segmentationfault，针对指针执行downcast时转换不成功，返回NULL。
//Aa;
//A&ra=a;
//B&b=dynamic_cast<B&>(ra);
//b.print();
//抛出St8bad_cast异常，针对引用执行downcast时转换不成功，抛出异常。
//ptrA=newA;
//ptrB=static_cast<B*>(ptrA);
//ptrB->print();
//使用static_cast进行downcast的时候，与dynamic_cast返回NULL不同，
//这里会调用ptrB实际指向的对象的虚函数。
//ptrA=newA;
//ptrB=dynamic_cast<B*>(ptrA);
//ptrB->print();
//在进行downcast时，如果没有virtual成员，那么在编译时会提示：
//Infunction‘intmain()':
//cannotdynamic_cast‘ptrA'(oftype‘classA*')totype‘classB*'(sourcetypeisnotpolymorphic)
return0;
}
从这个例子可以看出，在虚继承场景下，能够使用dynamic_cast的地方一定可以使用static_cast，然而dynamic_cast却有着更严格的要求，以便帮助程序员编写出更加严谨的代码。只不过，它在性能上面多了一部分开销。
3reinterpret_cast
reinterpret_cast是最危险的一种cast，之所以说它最危险，是因为它的表现和C-Like一般强大，稍微不注意就会出现错误。它一般在一些low-level的转换或者位操作当中运用。
#include<iostream>
classA
{
public:
A(){}
~A(){}
voidprint()
{
std::cout<<"HelloWorld!"<<std::endl;
}
};
classB
{
public:
B():a(0),b(0){}
~B(){}
voidcall()
{
std::cout<<"Happyforyourcall!"<<std::endl;
}
private:
doublea,b;
};
intmain()
{
//A*ptrA=newA;
//B*ptrB=reinterpret_cast<B*>(ptrA);
//ptrB->call();
//正常编译
//A*ptrA=newA;
//B*ptrB=(B*)(ptrA);
//ptrB->call();
//正常编译
//A*ptrA=newA;
//B*ptrB=static_cast<B*>(ptrA);
//ptrB->call();
//编译不通过，提示：
//Infunction‘intmain()':
//error:invalidstatic_castfromtype‘A*'totype‘B*'
//charc;
//char*pC=&c;
//int*pInt=static_cast<int*>(pC);
//编译提示错误：error:invalidstatic_castfromtype‘char*'totype‘int*'
//int*pInt=reinterpret_cast<int*>(pC);
//正常编译。
//int*pInt=(int*)(pC);
//正常编译。
return0;
}
分析了static_cast，dynamic_cast与reinterpret_cast之后就可以画出如下的图示对它们之间的区别进行简单比较了。这里没有将const_cast纳入进来是因为它比较特殊，另外分节对它进行介绍。
---------------- /dynamic_cast\-->同一继承体系（virtual）的类指针或引用[更安全的downcast] ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ /static_cast\-->基础类型[更安全]，同一继承体系的类指针或引用 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ /reinterpret_cast\-->与C-Like的作用一致，没有任何静态或者动态的checking机制 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ /C-Like\-->基础类型，同一继承体系的类指针或引用,不同继承体系类的指针或引用 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
4const_cast
const_cast能够使用来移出或者增加一个变量的const属性，最初的时候我觉得这个const_cast比较怪异，C里面一直都没有类似的东西来消除const属性，这里是否会多余呢？其实，我这种想法本身就没根没据。后来想想，在C++当中一直提倡将常量声明为const，这样一旦常量变得多了起来，在与其他软件组件或者第三方库进行衔接的时候就难免会碰到需要castconst属性的问题。比如：
constintmyConst=15;
int*nonConst=const_cast<int*>(&myConst);
voidprint(int*p)
{
std::cout<<*p;
}
print(&myConst);//编译错误：error:invalidconversionfrom‘constint*'to‘int*'
print(nonConst);//正常
不过，在使用const_cast的时候应该要注意，如果没有必要尽量不要去修改它的值：
constintmyConst=15; int*nonConst=const_cast<int*>(&myConst); *nonConst=10; //如果该变量存放在read-only内存区当中，在运行时可能会出现错误。
5小结
在C++当中对于大部分数据类型而言，使用C-Like的类型转换已经完全够用了。然而，不少人一直在倡导进行显式数据类型转换的时候尽可能地使用C++规定的类型转换操作。我想这里面大概有两方面的原因：
第一种，C++是一门“新”的编程语言，应该学会用它本身的思想来解决编程方面的问题；
第二种，尽管C-Like转换操作能力强大，但如果将其任意使用，会产生不少在编译期间隐藏，却在运行时候神出鬼没。这些问题使得软件的行为极不清晰。
如此，C++当中引出了其他四种类型转换方式，用来更加安全的完成一些场合的类型转换操作。比如使用reinterpret_cast的时候会表示你确定无疑的想使用C-Like的类型转换；在使用static_cast的时候想要确保转换的对象基本兼容，比如无法将char*转换为int*，无法在不同继承体系类的指针或引用之间进行转换；而使用dynamic_cast的时候是要对虚继承下的类执行downcast转换，并且已经明了当前性能已经不是主要的影响因素......
回答一下前文提到的问题。可以这么说，对于const_cast,static_cast,reinterpret_cast和dynamic_cast所能够完成的所有转换，C-Like也可以完成。但是，C-Like转换却没有static_cast,dynamic_cast分别提供的编译时类型检测和运行时类型检测。
C++之父BjarneStroustrup博士在这里也谈到了他的观点，主要有两点：其一，C-Like的cast极具破坏性并且在代码文本上也难得花不少力气搜索到它；其二，新式的cast使得程序员更有目的使用它们并且让编译器能够发现更多的错误；其三，新的cast符合模板声明规范，可以让程序员编写它们自己的cast。