各种cast

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：

 1 // class type-casting
 2 #include <iostream>
 3 using namespace std;
 4 
 5 class CDummy {
 6 float i,j;
 7 CDummy():i(100),j(10){}
 8 };
 9 
10 class CAddition：public CDummy
11 {
12     int *x,y;
13   public:
14     CAddition (int a, int b) { x=&a; y=b; }
15     int result() { return *x+y;}
16 };
17 
18 int main () {
19   CDummy d;
20   CAddition * padd;
21   padd = (CAddition*) &d;
22   cout << padd->result();
23   return 0;
24 }

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 <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。

 

static_cast <new_type> (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<int>(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：

 1 // class type-casting
 2 #include <iostream>
 3 using namespace std;
 4 
 5 class CDummy {
 6     float i,j;
 7 };
 8 
 9 class CAddition {
10     int x,y;
11   public:
12     CAddition (int a, int b) { x=a; y=b; }
13     int result() { return x+y;}
14 };
15 
16 int main () {
17   CDummy d;
18   CAddition * padd;
19   padd = (CAddition*) &d;
20   cout << padd->result();
21   return 0;
22 }

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：

1  int main () {
2    CDummy d;
3    CAddition * padd;
4    padd = static_cast<CAddition*> (&d);
5    cout << padd->result();
6    return 0;
7 }

 

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 <new_type> (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：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 class CBase { };
 4 class CDerived: public CBase { };
 5 
 6 int main()
 7 {
 8 CBase b; CBase* pb;
 9 CDerived d; CDerived* pd;
10 
11 pb = dynamic_cast<CBase*>(&d);     // ok: derived-to-base
12 pd = dynamic_cast<CDerived*>(&b);  // wrong: base-to-derived 
13 }

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：

 1 #include <iostream>
 2 #include <exception>
 3 using namespace std;
 4 
 5 class CBase { virtual void dummy() {} };
 6 class CDerived: public CBase { int a; };
 7 
 8 int main () {
 9   try {
10     CBase * pba = new CDerived;
11     CBase * pbb = new CBase;
12     CDerived * pd;
13 
14     pd = dynamic_cast<CDerived*>(pba);
15     if (pd==0) cout << "Null pointer on first type-cast" << endl;
16 
17     pd = dynamic_cast<CDerived*>(pbb);
18     if (pd==0) cout << "Null pointer on second type-cast" << endl;
19 
20   } catch (exception& e) {cout << "Exception: " << e.what();}
21   return 0;
22 }

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：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 class A {virtual void f(){}};
 4 class B {virtual void f(){}};
 5 
 6 int main() {
 7     A* pa = new A;
 8     B* pb = new B;
 9     void* pv = dynamic_cast<void*>(pa);
10     cout << pv << endl;
11     // pv now points to an object of type A
12 
13     pv = dynamic_cast<void*>(pb);
14     cout << pv << endl;
15     // pv now points to an object of type B
16 }

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 <new_type> (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<short> (a); //compile error!

 

const_cast <new_type> (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。

 1 // const_cast
 2 #include <iostream>
 3 using namespace std;
 4 
 5 void print (char * str)
 6 {
 7   cout << str << endl;
 8 }
 9 
10 int main () {
11   const char * c = "sample text";
12   char *cc = const_cast<char *> (c) ;
13   Print(cc);
14   return 0;
15 }

从char *cc = const_cast<char *>(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。