C++ 中的类型转换

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类型转换在 C/C++ 中是普遍存在的操作，不同于 C 只有一种类型转换方式——强制类型转换（此处暂不谈隐式类型转换），C++ 中提供多种类型转换方式，用于支撑它的面向对象等诸多特性。

基础概念

什么是类型转换

一个实体，由它当前的类型，转换到另一种类型，这个过程叫做类型转换。

  • 注意实体与类型的区别：类型是抽象的，实体的具体的，它们是一对多的一种关系。例如 int 它是个类型，int x = 1024 中，x 是我们这里说的实体。
  • 当代计算机内，数据的存储是一串 0、1 组成的序列，序列本身毫无意义，类型是对它的一种规则描述，赋予序列一个特定的意义/解释。

类型转换的意义

  • 类型转换是普遍存在的

大多数编程语言中，少不了类型转换。

比如使用 C/C++，计算采购一种物品需要多少钱，物品的数量往往是整数，但单价很可能会是个浮点数。数量和单价相乘，得到总价。这里面的计算细节：先将表示数量的整数，转换为浮点数，然后与浮点数与浮点数相乘，得到的结果也是个浮点数。

C 中的类型转换

隐式类型转换

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float price = 12.56;
int num = 1024;
float sum = price * num; // num 参与计算时，发生了由 int -> float 的隐式类型转换

显式类型转换

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int num = 1024;
float fn = (float) num; // 显式类型转换

C++ 中的类型转换

C++ 兼容上面提到 C 中的两种类型转换，但不推荐使用强制类型转换，它引入了四种类型转换方式，它们遵循同一种使用方式：cast_key_word<new_type>(expression)。

const_cast

首先介绍下 const_cast。它的特殊之处在于：满足条件，可以加上或者移除变量的 CV 类型限定符。这点是其他三个类型转换不能完成的。

CV 类型限定符，cv (const and volatile) type qualifiers，用作修饰变量，以便影响编译器的行为。例如 const int x = 1023；，如果后面的代码修改了变量 x，则会在编译期抛出异常，这样的好处是减少运行时出现难以理解 Bug 的可能。

const_cast 对函数指针无用。通过 const_cast 为变量添加 const 很容易（甚至可以不需要它），但通过 const_cast 移除 CV 类型限定符需要 new_type 和 expression 之间符合以下条件之一：

  1. 是相同类型，或者类型可以相互转换的对象的指针（也可以是多级指针）。
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class Base;

const Base* constBase = new Base();
Base* nonConstBase = const_cast<Base *>(constBase); // Ok，因为 Base* 和变量 constBase 的类型相同
  1. 任何类型的左值，可以转换为该种类型的左值或右值引用；一个类型的右值或 xvalue，可以转换成同类型的右值。
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const int x = 0;
const_cast<int &>(x) = 10;
  1. 以上规则适用于指向类数据成员的多级指针。
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class Base {
public:
  int m_i;
  Base() : m_i(1) {}
};

int main() {
  const Base b;
  const_cast<int&>(b.m_i) = 10;
}
  1. 空指针可以转换为任何类型的空指针。

这很容易理解。

示例：

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class Base {
public:
  int m_i;
  // 默认构造函数
  Base(): m_i(0) {}

  void f(int x) const { // const 表示在 Base 的实例上调用 f() 后，“不会修改”对象。
    // m_i = v; // 因为 f 被 const 修饰，所以这个会导致编译报错
    const_cast<Base *>(this)->m_i = x; // Ok，因为去掉了 const 限定符
  }
};

int main() {
  const int x = 10;
  // const_cast<int>(x) = 11; // 错误。

  int *px = const_cast<int *>(&x);
  *px = 4; // ！！未定义的行为。
  
  const Base b;
  b.f(4); // ！！未定义的行为。
}

static_cast

static_cast 用于隐式类型转换，或者用户自定义的规则转换（user-defined conversions）。

可能有朋友看到过一些文章，说 static_cast 是 兼容 C 的一个类型转换方式。但千万不能看轻了它，static_cast 还有一个非常重要的功能，就是支持用户自定义类型转换规则。

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class Point3D;

class Point2D {
public:
  int x;
  int y;
  Point2D(): x(0), y(0) {}
  
  Point2D(int _x, int _y): x(_x), y(_y) {}
};

class Point3D {
public:
  int x;
  int y;
  int z;
  Point3D(): x(0), y(0), z(0) {}
  
  Point3D(int _x, int _y, int _z): x(_x), y(_y), z(_z) {}
  
  explicit operator Point2D() const {
    return Point2D(x, y);
  }
};

int main() {
  Point3D p3d(2,3, 1);
  Point2D p2d = static_cast<Point2D>(p3d); // Ok
}

dynamic_cast

dynamic_cast 是唯一的运行时转换方式，用于类之间的安全转换。

dynamic_cast 存在转换失败的可能。

  • 当 new_type 为指针类型时，若转换失败，则返回空指针。
  • 当 new_type 为引用类型时，若转换失败，则将会抛出异常。

reinterpret_cast

reinterpret_cast 的特点十分鲜明——它的转换仅是对比特位的拷贝！

总结

C++ 四种类型转换方式总结

参考资料

  1. Value categories
  2. cv (const and volatile) type qualifiers
  3. const_cast conversion
  4. static_cast
  5. dynamic_cast
  6. reinterpret_cast