C++ 數據類型強制轉化的實現

C++常見類型主要為

// 一個字節等於 8 bit
[signed] int //字節數為 4
unsigned [int] //字節數為 4
short [int] //字節數 2
unsigned short [int] //字節數 2
long [int] //字節數 4
unsigned long [int] //字節數 4
[signed] char //字節數 1
unsigned char //字節數 1
float //字節數 4
double //字節數 8
long long [int] //字節數 8
unsigned long long [int] //字節數 8
size_t //字節數 4-8

如下 C++ 11代碼

#include<bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main(){
 // 高位轉化為低位 
 unsigned long x1 = pow(2,32)-1; // 無符號 
 cout<<"實際存取數字:"<<x1<<endl; 
 cout<<"利用長整型來存取實際數字:"<<long(x1)<<endl; // 溢出 
 cout<<"利用整型來存取實際數字:"<<int(x1)<<endl; // 溢出 
 cout<<"利用字符型來存取實際數字:"<<char(x1)<<endl; // 溢出 輸出為空格 字符 
 
 cout<<"------------------------------------------"<<endl; 
 // 低位轉化為高位 
 char x2 = pow(2,7)-1; // 有符號 
 cout<<"實際存取字符:"<<x2<<endl; // 輸出為空格 ASCII碼 
 cout<<"利用無符號字符型來存取實際字符:"<<(unsigned char)(x2)<<endl; // 輸出為空格 ASCII碼 
 cout<<"利用短整型來存取實際數字:"<<short(x2)<<endl; 
 cout<<"利用整型來存取實際數字:"<<int(x2)<<endl;
 cout<<"利用無符號長整型來存取實際數字:"<<(unsigned int)(x2)<<endl;
 cout<<"利用無符號長整型來存取實際數字:"<<(unsigned long)(x2)<<endl;
 cout<<"利用單精度浮點型來存取實際數字:"<<float(x2)<<endl;
 cout<<"利用雙精度浮點型來存取實際數字:"<<double(x2)<<endl;
 // 更高范圍的整數類型轉化 
 cout<<"利用長長整型來存取實際數字:"<<(long long)(pow(2,62)-1)<<endl; 
 cout<<"利用無符號長長整型來存取實際數字:"<<(unsigned long long)(pow(2,63)-1)<<endl;
 // 特殊類型強制轉化 
 cout<<"利用size_t類型來存取x1:"<<size_t(x1)<<endl;
 cout<<"利用size_t類型來存取x2:"<<size_t(x2)<<endl;
 cout<<"利用size_t類型來存取 x1+1 : "<<size_t(x1+1)<<endl; // 溢出 
 cout<<"利用size_t類型來存取 -1 : "<<size_t(-1)<<endl; // 溢出 
 return 0;
}

結果如下:

C++ 4種強制類型轉換:

在C++語言中新增瞭四個關鍵字static_cast、const_cast、reinterpret_cast和dynamic_cast。這四個關鍵字都是用於強制類型轉換的。

新類型的強制轉換可以提供更好的控制強制轉換過程,允許控制各種不同種類的強制轉換。

C++中風格是static_cast<type>(content)。C++風格的強制轉換其他的好處是,它們能更清晰的表明它們要幹什麼。程序員隻要掃一眼這樣的代碼,就能立即知道一個強制轉換的目的。

1) static_cast

在C++語言中static_cast用於數據類型的強制轉換,強制將一種數據類型轉換為另一種數據類型。例如將整型數據轉換為浮點型數據。
[例1]C語言所采用的類型轉換方式:

int a = 10;
int b = 3;
double result = (double)a / (double)b;

例1中將整型變量a和b轉換為雙精度浮點型,然後相除。在C++語言中,我們可以采用static_cast關鍵字來進行強制類型轉換,如下所示。
[例2]static_cast關鍵字的使用:

int a = 10;
int b = 3;
double result = static_cast<double>(a) / static_cast<double>(b);

在本例中同樣是將整型變量a轉換為雙精度浮點型。采用static_cast進行強制數據類型轉換時,將想要轉換成的數據類型放到尖括號中,將待轉換的變量或表達式放在元括號中,其格式可以概括為如下形式:   

用法:static_cast <類型說明符> (變量或表達式)

它主要有如下幾種用法:
    (1)用於類層次結構中基類和派生類之間指針或引用的轉換
      進行上行轉換(把派生類的指針或引用轉換成基類表示)是安全的
      進行下行轉換(把基類的指針或引用轉換為派生類表示),由於沒有動態類型檢查,所以是不安全的
    (2)用於基本數據類型之間的轉換,如把int轉換成char。這種轉換的安全也要開發人員來保證
    (3)把空指針轉換成目標類型的空指針
    (4)把任何類型的表達式轉換為void類型
    註意:static_cast不能轉換掉expression的const、volitale或者__unaligned屬性。

static_cast:可以實現C++中內置基本數據類型之間的相互轉換。

如果涉及到類的話,static_cast隻能在有相互聯系的類型中進行相互轉換,不一定包含虛函數。

2) const_cast

在C語言中,const限定符通常被用來限定變量,用於表示該變量的值不能被修改。

而const_cast則正是用於強制去掉這種不能被修改的常數特性,但需要特別註意的是const_cast不是用於去除變量的常量性,而是去除指向常數對象的指針或引用的常量性,其去除常量性的對象必須為指針或引用。

用法:const_cast<type_id> (expression)
    該運算符用來修改類型的const或volatile屬性。除瞭const 或volatile修飾之外, type_id和expression的類型是一樣的。
    常量指針被轉化成非常量指針,並且仍然指向原來的對象;
    常量引用被轉換成非常量引用,並且仍然指向原來的對象;常量對象被轉換成非常量對象。

[例3]一個錯誤的例子:

const int a = 10;
const int * p = &a; *p = 20; //compile error int b = const_cast<int>(a); //compile error

在本例中出現瞭兩個編譯錯誤,第一個編譯錯誤是*p因為具有常量性,其值是不能被修改的;另一處錯誤是const_cast強制轉換對象必須為指針或引用,而例3中為一個變量,這是不允許的!

[例4]const_cast關鍵字的使用

#include<iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
 const int a = 10;
 const int * p = &a;
 int *q;
 q = const_cast<int *>(p);
 *q = 20; //fine
 cout <<a<<" "<<*p<<" "<<*q<<endl;
  cout <<&a<<" "<<p<<" "<<q<<endl;
 return 0;
}

在本例中,我們將變量a聲明為常量變量,同時聲明瞭一個const指針指向該變量(此時如果聲明一個普通指針指向該常量變量的話是不允許的,Visual Studio 2010編譯器會報錯)。

之後我們定義瞭一個普通的指針*q。將p指針通過const_cast去掉其常量性,並賦給q指針。之後我再修改q指針所指地址的值時,這是不會有問題的。

最後將結果打印出來,運行結果如下:
10 20 20
002CFAF4 002CFAF4 002CFAF4

查看運行結果,問題來瞭,指針p和指針q都是指向a變量的,指向地址相同,而且經過調試發現002CFAF4地址內的值確實由10被修改成瞭20,這是怎麼一回事呢?為什麼a的值打印出來還是10呢?

其實這是一件好事,我們要慶幸a變量最終的值沒有變成20!變量a一開始就被聲明為一個常量變量,不管後面的程序怎麼處理,它就是一個常量,就是不會變化的。試想一下如果這個變量a最終變成瞭20會有什麼後果呢?對於這些簡短的程序而言,如果最後a變成瞭20,我們會一眼看出是q指針修改瞭,但是一旦一個項目工程非常龐大的時候,在程序某個地方出現瞭一個q這樣的指針,它可以修改常量a,這是一件很可怕的事情的,可以說是一個程序的漏洞,畢竟將變量a聲明為常量就是不希望修改它,如果後面能修改,這就太恐怖瞭。

在例4中我們稱“*q=20”語句為未定義行為語句,所謂的未定義行為是指在標準的C++規范中並沒有明確規定這種語句的具體行為,該語句的具體行為由編譯器來自行決定如何處理。對於這種未定義行為的語句我們應該盡量予以避免!

從例4中我們可以看出我們是不想修改變量a的值的,既然如此,定義一個const_cast關鍵字強制去掉指針的常量性到底有什麼用呢?我們接著來看下面的例子。

例5:

#include<iostream>
using namespace std;
 
const int * Search(const int * a, int n, int val);
 
int main()
{
 int a[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
 int val = 5;
 int *p;
 p = const_cast<int *>(Search(a, 10, val));
 if(p == NULL)
  cout<<"Not found the val in array a"<<endl;
 else
  cout<<"hvae found the val in array a and the val = "<<*p<<endl;
 return 0;
}
 
const int * Search(const int * a, int n, int val)
{
 int i;
 for(i=0; i<n; i++)
 {
  if(a[i] == val)
   return &a[i];
 }
 return NULL;
}

在例5中我們定義瞭一個函數,用於在a數組中尋找val值,如果找到瞭就返回該值的地址,如果沒有找到則返回NULL。函數Search返回值是const指針,當我們在a數組中找到瞭val值的時候,我們會返回val的地址,最關鍵的是a數組在main函數中並不是const,因此即使我們去掉返回值的常量性有可能會造成a數組被修改,但是這也依然是安全的。

對於引用,我們同樣能使用const_cast來強制去掉常量性,如例6所示。

例6:

#include<iostream>
using namespace std;
 
const int & Search(const int * a, int n, int val);
 
int main()
{
int a[10] = {0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
int val = 5;
int &p = const_cast<int &>(Search(a, 10, val));
if(p == NULL)
cout<<"Not found the val in array a"<<endl;
else
cout<<"hvae found the val in array a and the val = "<<p<<endl;
return 0;
}
 
const int & Search(const int * a, int n, int val)
{
int i;
for(i=0; i<n; i++)
{
if(a[i] == val)
return a[i];
}
return NULL;
}

 瞭解瞭const_cast的使用場景後,可以知道使用const_cast通常是一種無奈之舉,同時也建議大傢在今後的C++程序設計過程中一定不要利用const_cast去掉指針或引用的常量性並且去修改原始變量的數值,這是一種非常不好的行為。

3) reinterpret_cast

在C++語言中,reinterpret_cast主要有三種強制轉換用途:改變指針或引用的類型、將指針或引用轉換為一個足夠長度的整形、將整型轉換為指針或引用類型。

用法:reinterpret_cast<type_id> (expression)
    type-id必須是一個指針、引用、算術類型、函數指針或者成員指針。
    它可以把一個指針轉換成一個整數,也可以把一個整數轉換成一個指針(先把一個指針轉換成一個整數,在把該整數轉換成原類型的指針,還可以得到原先的指針值)。
    在使用reinterpret_cast強制轉換過程僅僅隻是比特位的拷貝,因此在使用過程中需要特別謹慎!

例7:

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

在例7中,將整型指針通過reinterpret_cast強制轉換成瞭雙精度浮點型指針。
reinterpret_cast可以將指針或引用轉換為一個足夠長度的整形,此中的足夠長度具體長度需要多少則取決於操作系統,如果是32位的操作系統,就需要4個字節及以上的整型,如果是64位的操作系統則需要8個字節及以上的整型。 

4) dynamic_cast

用法:dynamic_cast<type_id> (expression)

(1)其他三種都是編譯時完成的,dynamic_cast是運行時處理的,運行時要進行類型檢查。

(2)不能用於內置的基本數據類型的強制轉換。

(3)dynamic_cast轉換如果成功的話返回的是指向類的指針或引用,轉換失敗的話則會返回NULL。

(4)使用dynamic_cast進行轉換的,基類中一定要有虛函數,否則編譯不通過。

        B中需要檢測有虛函數的原因:類中存在虛函數,就說明它有想要讓基類指針或引用指向派生類對象的情況,此時轉換才有意義。

       這是由於運行時類型檢查需要運行時類型信息,而這個信息存儲在類的虛函數表(關於虛函數表的概念,詳細可見<Inside c++ object model>)中,
        隻有定義瞭虛函數的類才有虛函數表。

 (5)在類的轉換時,在類層次間進行上行轉換時,dynamic_cast和static_cast的效果是一樣的。在進行下行轉換時,dynamic_cast具有類型檢查的功能,比static_cast更安全。

        向上轉換,即為子類指針指向父類指針(一般不會出問題);向下轉換,即將父類指針轉化子類指針。

       向下轉換的成功與否還與將要轉換的類型有關,即要轉換的指針指向的對象的實際類型與轉換以後的對象類型一定要相同,否則轉換失敗。

        在C++中,編譯期的類型轉換有可能會在運行時出現錯誤,特別是涉及到類對象的指針或引用操作時,更容易產生錯誤。Dynamic_cast操作符則可以在運行期對可能產生問題的類型轉換進行測試。

例1:

#include<iostream>
using namespace std;
 
class base
{
public :
 void m(){cout<<"m"<<endl;}
};
 
class derived : public base
{
public:
 void f(){cout<<"f"<<endl;}
};
 
int main()
{
 derived * p;
 p = new base;
 p = static_cast<derived *>(new base);
 p->m();
 p->f();
 return 0;
}

本例中定義瞭兩個類:base類和derived類,這兩個類構成繼承關系。在base類中定義瞭m函數,derived類中定義瞭f函數。在前面介紹多態時,我們一直是用基類指針指向派生類或基類對象,而本例則不同瞭。

本例主函數中定義的是一個派生類指針,當我們將其指向一個基類對象時,這是錯誤的,會導致編譯錯誤。

但是通過強制類型轉換我們可以將派生類指針指向一個基類對象,p = static_cast<derived *>(new base);語句實現的就是這樣一個功能,這樣的一種強制類型轉換時合乎C++語法規定的,但是是非常不明智的,它會帶來一定的危險。

在程序中p是一個派生類對象,我們將其強制指向一個基類對象,首先通過p指針調用m函數,因為基類中包含有m函數,這一句沒有問題,之後通過p指針調用f函數。一般來講,因為p指針是一個派生類類型的指針,而派生類中擁有f函數,因此p->f();這一語句不會有問題,但是本例中p指針指向的確實基類的對象,而基類中並沒有聲明f函數,雖然p->f();這一語句雖然仍沒有語法錯誤,但是它卻產生瞭一個運行時的錯誤。換言之,p指針是派生類指針,這表明程序設計人員可以通過p指針調用派生類的成員函數f,但是在實際的程序設計過程中卻誤將p指針指向瞭一個基類對象,這就導致瞭一個運行期錯誤。

產生這種運行期的錯誤原因在於static_cast強制類型轉換時並不具有保證類型安全的功能,而C++提供的dynamic_cast卻能解決這一問題,dynamic_cast可以在程序運行時檢測類型轉換是否類型安全。

當然dynamic_cast使用起來也是有條件的,它要求所轉換的操作數必須包含多態類類型(即至少包含一個虛函數的類)。

例2:

#include<iostream>
using namespace std;
 
class base
{
public :
 void m(){cout<<"m"<<endl;}
};
 
class derived : public base
{
public:
 void f(){cout<<"f"<<endl;}
};
 
int main()
{
 derived * p;
 p = new base;
 p = dynamic_cast<derived *>(new base);
 p->m();
 p->f();
 return 0;
}

在本例中利用dynamic_cast進行強制類型轉換,但是因為base類中並不存在虛函數,因此p = dynamic_cast<derived *>(new base);這一句會編譯錯誤。

為瞭解決本例中的語法錯誤,我們可以將base類中的函數m聲明為虛函數,virtual void m(){cout<<“m”<<endl;}。

dynamic_cast還要求<>內部所描述的目標類型必須為指針或引用。

例3:

#include<iostream>
#include<cstring>
 
using namespace std;
 
class A
{
 public:
 virtual void f()
 {
  cout<<"hello"<<endl;
  };
};
 
 
 
class B:public A
{
 public:
 void f()
 {
  cout<<"hello2"<<endl;
  };
 
};
 
 
 
class C
{
 void pp()
 {
  return;
 }
};
 
 
 
int fun()
{
 return 1;
}
 
int main()
{
 A* a1=new B;//a1是A類型的指針指向一個B類型的對象
 A* a2=new A;//a2是A類型的指針指向一個A類型的對象
 B* b;
 C* c;
 b=dynamic_cast<B*>(a1);//結果為not null,向下轉換成功,a1之前指向的就是B類型的對象,所以可以轉換成B類型的指針。
 if(b==NULL)
 {
  cout<<"null"<<endl;
 }
 
 else
 {
  cout<<"not null"<<endl;
 }
 
 b=dynamic_cast<B*>(a2);//結果為null,向下轉換失敗
 if(b==NULL)
 {
  cout<<"null"<<endl;
 }
 
 else
 {
  cout<<"not null"<<endl;
 }
 
 c=dynamic_cast<C*>(a);//結果為null,向下轉換失敗
 if(c==NULL)
 {
  cout<<"null"<<endl;
 }
 
 else
 {
  cout<<"not null"<<endl;
 }
 
 delete(a);
 return 0;
}

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