【C++】static_cast, dynamic_cast, reinterpret_cast, const_cast区别比较

作者: veaxen 分类: C/C++ 发布时间: 2017-04-03 01:07

(使用VS2010所带的编译器)

隐式转换(implicit conversion)

short a=2000;
int b;
b=a;

short是两字节,int是四字节,由short型转成int型是宽化转换(bit位数增多),编译器没有warning,如下图所示。宽化转换(如char到int,int到long long,int到float,float到double,int到double等)构成隐式转换,编译器允许直接转换。

但若反过来

double a=2000;
short b;
b=a;

此时,是从8字节的double型转成2字节的short型变量,是窄化转换,编译器就会有warning了,如下所示,提醒程序员可能丢失数据。不过需要注意的是,有些隐式转换,编译器可能并不给出warning,比如int到short,但数据溢出却依然会发生。

C风格显式转换(C style explicit conversion)

要去掉上述waring很简单,熟悉C语言的程序员知道,有两种简单的写法(C风格转换与函数风格转换):

double a=2000.3;
short b;
b = (short) a;    // c-like cast notation
b = short (a);    // functional notation 

如下图所示,此时warning就没了

这种显式转换方式简单直观,但并不安全,举一个父类和子类的例子如下:

// class type-casting
#include <iostream>
using namespace std;
class CDummy {
float i,j;
CDummy():i(100),j(10){}
};
class CAddition:public CDummy
{
    int *x,y;
  public:
    CAddition (int a, int b) { x=&a; y=b; }
    int result() { return *x+y;}
};
int main () {
  CDummy d;
  CAddition * padd;
  padd = (CAddition*) &d;
  cout << padd->result();
  return 0;
}

编译器不报任何错,但运行结果出错,如下图所示

究其原因,注意这一句:padd = (CAddition) &d;
此时父类的指针&d被C风格转换方式强制转成了子类的指针了,后面调用了子类的方法result,需要访问x,但指针指向的对象本质还是父类的,所以x相当于父类中的i,y相当于父类中的j,x相当于*i,但i是float型变量(初始化为100),不是地址,所以出错,如果程序员正是鲁莽地对这个地址指向的内存进行写入操作,那将可能会破坏系统程序,导致操作系统崩溃!

这里有一个重要概念,CAddition*是子类的指针,它的变量padd可以调用子类的方法,但是它指向的是父类的对象,也就是说padd指向的内存空间里存放的是父类的成员变量。深入地说,数据在内存中是没有“类型”一说的,比如0x3F可能是字符型,也可能是整型的一部分,还可能是地址的一部分。我们定义的变量类型,其实就是定义了数据应该“被看成什么”的方式。

因此padd类指针实质是定义了取值的方式,如padd->x就是一并取出内存空间里的0号单元至3号单元的值(共4个字节),将其拼成32位并当作指针,padd->y则取出内存空间里的4号单元至7号单元(共4个字节),将其拼成32位并当作int型变量。但实际上padd指向的是父类的对象,也就是前4个字节是float型变量,后4个字节也是float型变量。

从这里可以看出,程序员的这种转换使编译器“理解”出错,把牛当成马了。

从上可见,用C风格的转换其实是不安全的,编译器无法看到转换的不安全。

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 (expression)
dynamic_cast (expression)
reinterpret_cast (expression)
const_cast (expression)
可以提升转换的安全性。

static_cast (expression) 静态转换

静态转换是最接近于C风格转换,很多时候都需要程序员自身去判断转换是否安全。比如:
double d=3.14159265;
int i = static_cast(d);

但static_cast已经有安全性的考虑了,比如对于不相关类指针之间的转换。参见下面的例子:

// class type-casting
#include <iostream>
using namespace std;

class CDummy {
    float i,j;
};

class CAddition {
    int x,y;
  public:
    CAddition (int a, int b) { x=a; y=b; }
    int result() { return x+y;}
};

int main () {
  CDummy d;
  CAddition * padd;
  padd = (CAddition*) &d;
  cout << padd->result();
  return 0;
}

这个例子与之前举的例子很像,只是CAddition与CDummy类没有任何关系了,但main()中C风格的转换仍是允许的padd = (CAddition*) &d,这样的转换没有安全性可言。
如果在main()中使用static_cast,像这样:

int main () {
   CDummy d;
   CAddition * padd;
   padd = static_cast<CAddition*> (&d);
   cout << padd->result();
   return 0;
}

编译器就能看到这种不相关类指针转换的不安全,报出如下图所示的错误

注意这时不是以warning形式给出的,而直接是不可通过编译的error。从提示信息里可以看到,编译器说如果需要这种强制转换,要使用reinterpret_cast(稍候会说)或者C风格的两种转换。
总结一下:static_cast最接近于C风格转换了,但在无关类的类指针之间转换上,有安全性的提升。

dynamic_cast (expression) 动态转换

动态转换确保类指针的转换是合适完整的,它有两个重要的约束条件,其一是要求new_type为指针或引用,其二是下行转换时要求基类是多态的(基类中包含至少一个虚函数)。
看一下下面的例子:

#include <iostream>
using namespace std;
class CBase { };
class CDerived: public CBase { };

int main()
{
CBase b; CBase* pb;
CDerived d; CDerived* pd;

pb = dynamic_cast<CBase*>(&d);     // ok: derived-to-base
pd = dynamic_cast<CDerived*>(&b);  // wrong: base-to-derived 
}

在最后一行代码有问题,编译器给的错误提示如下图所示:

把类的定义改成:
class CBase { virtual void dummy() {} };
class CDerived: public CBase {};
再编译,结果如下图所示

编译都可以顺利通过了。这里我们在main函数的最后添加两句话:
cout << pb << endl;
cout << pd << endl;
输出pb和pd的指针值,结果如下:

我们看到一个奇怪的现象,将父类经过dynamic_cast转成子类的指针竟然是空指针!这正是dynamic_cast提升安全性的功能,dynamic_cast可以识别出不安全的下行转换,但并不抛出异常,而是将转换的结果设置成null(空指针)。
再举一个例子:

#include <iostream>
#include <exception>
using namespace std;

class CBase { virtual void dummy() {} };
class CDerived: public CBase { int a; };

int main () {
  try {
    CBase * pba = new CDerived;
    CBase * pbb = new CBase;
    CDerived * pd;

    pd = dynamic_cast<CDerived*>(pba);
    if (pd==0) cout << "Null pointer on first type-cast" << endl;

    pd = dynamic_cast<CDerived*>(pbb);
    if (pd==0) cout << "Null pointer on second type-cast" << endl;

  } catch (exception& e) {cout << "Exception: " << e.what();}
  return 0;
}

输出结果是:Null pointer on second type-cast
两个dynamic_cast都是下行转换,第一个转换是安全的,因为指向对象的本质是子类,转换的结果使子类指针指向子类,天经地义;第二个转换是不安全的,因为指向对象的本质是父类,“指鹿为马”或指向不存在的空间很可能发生!
最后补充一个特殊情况,当待转换指针是void或者转换目标指针是void时,dynamic_cast总是认为是安全的,举个例子:

#include <iostream>
using namespace std;
class A {virtual void f(){}};
class B {virtual void f(){}};

int main() {
    A* pa = new A;
    B* pb = new B;
    void* pv = dynamic_cast<void*>(pa);
    cout << pv << endl;
    // pv now points to an object of type A

    pv = dynamic_cast<void*>(pb);
    cout << pv << endl;
    // pv now points to an object of type B
}

运行结果如下:

可见dynamic_cast认为空指针的转换安全的,但这里类A和类B必须是多态的,包含虚函数,若不是,则会编译报错。

reinterpret_cast (expression) 重解释转换

这个转换是最“不安全”的,两个没有任何关系的类指针之间转换都可以用这个转换实现,举个例子:
class A {};
class B {};
A * a = new A;
B * b = reinterpret_cast<B*>(a);//correct!
更厉害的是,reinterpret_cast可以把整型数转换成地址(指针),这种转换在系统底层的操作,有极强的平台依赖性,移植性不好。
它同样要求new_type是指针或引用,下面的例子是通不过编译的:
double a=2000.3;
short b;
b = reinterpret_cast (a); //compile error!

const_cast (expression) 常量向非常量转换

这个转换好理解,可以将常量转成非常量。

// const_cast
#include <iostream>
using namespace std;

void print (char * str)
{
  cout << str << endl;
}

int main () {
  const char * c = "sample text";
  char *cc = const_cast<char *> (c) ;
  Print(cc);
  return 0;
}

从char *cc = const_cast(c)可以看出了这个转换的作用了,但切记,这个转换并不转换原常量本身,即c还是常量,只是它返回的结果cc是非常量了

总结

C风格转换是“万能的转换”,但需要程序员把握转换的安全性,编译器无能为力;static_cast最接近于C风格转换,但在无关类指针转换时,编译器会报错,提升了安全性;dynamic_cast要求转换类型必须是指针或引用,且在下行转换时要求基类是多态的,如果发现下行转换不安全,dynamic_cast返回一个null指针,dynamic_cast总是认为void*之间的转换是安全的;reinterpret_cast可以对无关类指针进行转换,甚至可以直接将整型值转成指针,这种转换是底层的,有较强的平台依赖性,可移植性差;const_cast可以将常量转成非常量,但不会破坏原常量的const属性,只是返回一个去掉const的变量。

注:本文中大部分样例来源自C++标准网站:
http://www.cplusplus.com/doc/tutorial/typecasting/
以及微软的MSDN:
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/cby9kycs
若有理解出错的地方,望不吝指正。

转载自 http://www.cnblogs.com/jerry19880126/

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