C++基礎入門篇之強制轉換

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引言

假設有基類 A，包含瞭虛函數 func1，以及有派生類 B，繼承於類 A，派生類 B 中實現瞭函數 func1。此時可以用 A 類型的指針指向 B 類型的對象，並用 A 類型的指針調用 B 類型對象中的函數 func1。這時，就形成瞭多態。包含虛函數的類 A，我們也稱為多態類。

由於派生類 B 完整包含瞭 基類 A 的所有定義，將 B 類型的指針轉換為 A 類型的指針總是安全的。

而將 A 類型的指針強制轉換為 B 類型的指針時，如果 A 類型指針指向的對象確實為 B 類型的對象，那麼轉換也是安全的。此時，該 B 類型對象被稱為完整對象(complete object)。

強制轉換有哪些類型？

C++ 包含瞭以下幾種強制轉換運算符，這些運算符用於消除老式 C 語言轉換中的存在的歧義和隱患：

  • dynamic_cast
  • static_cast
  • const_cast
  • reinterpret_cast
  • safe_cast

本文會著重介紹如何使用 dynamic_cast 和 static_cast。

提醒：

除非必須，不要使用 const_cast 和 reinterpret_cast，因為它們存在一些老式 C 語言轉換中的隱患。

dynamic_cast 運算符

語法：

 dynamic_cast <type-id> (expression)

type-id 必須是一個指針或者引用，指向/引用已定義的類類型或者 void。如果type-id 是指針，則 expression 必須也為指針類型，如果 type-id 是引用，expression 必須為左值類型。

如果 type-id 是 void*，那麼在運行時將檢測 expression 的實際類型。其結果返回 expression 指向的完整對象。

如非需要，現代 C++ 中應該避免使用 void 指針，因為容易出錯。

下面看些示例，瞭解 dynamic_cast 的使用方式。

示例1：

class Root { };
class Base : public Root { };
class Derived : public Base { };

void f(Derived* pd) {
 Base* pb = dynamic_cast<Base*>(pd); // ok: Base is a direct base class
         // pb points to Base subobject of pd
 Root* pr = dynamic_cast<Root*>(pd); // ok: Root is an indirect base class
         // pr points to Root subobject of pd
}

示例1 中提到瞭子對象(subobject)的概念，註意與子類型進行區分：

  • Root 類型包含子類型 Base，Base 類型包含子類型 Derived。
  • Derived 對象包含瞭 Base 類型的子對象，Base 類型的子對象又包含瞭 Root 類型的子對象。

再聯系下前面說的：派生類完整包含瞭基類的所有定義。

示例2：

class B {virtual void f();};
class D : public B {virtual void f();};

void f() {
 B* pb = new D; // unclear but ok
 B* pb2 = new B;

 D* pd = dynamic_cast<D*>(pb); // ok: pb actually points to a D
 D* pd2 = dynamic_cast<D*>(pb2); // pb2 was nullptr.
}

示例2 中 通過 dynamic_cast 轉換為 pd2 時，不會報錯，返回 nullptr。但如果同樣地情況轉換的對象是引用類型，那麼運行時會拋出 std::bad_cast 異常。如果 pb2 指向/引用的對象無效，同樣也會拋出異常。

示例3：

#include <stdio.h>
#include <iostream>

struct A {
 virtual void test() {
  printf_s("in A\n");
 }
};

struct B : A {
 virtual void test() {
  printf_s("in B\n");
 }

 void test2() {
  printf_s("test2 in B\n");
 }
};

struct C : B {
 virtual void test() {
  printf_s("in C\n");
 }

 void test2() {
  printf_s("test2 in C\n");
 }
};

void Globaltest(A& a) {
 try {
  C &c = dynamic_cast<C&>(a);
  printf_s("in GlobalTest\n");
 }
 catch(std::bad_cast) {
  printf_s("Can't cast to C\n");
 }
}

int main() {
 A *pa = new C;
 A *pa2 = new B;

 pa->test();

 B * pb = dynamic_cast<B *>(pa);
 if (pb)
  pb->test2();

 C * pc = dynamic_cast<C *>(pa2);
 if (pc)
  pc->test2();

 C ConStack;
 Globaltest(ConStack);

 // will fail because B knows nothing about C
 B BonStack;
 Globaltest(BonStack);
}
Output:

in C
test2 in B
in GlobalTest
Can't cast to C

static_cast 運算符

語法：

static_cast <type-id> (expression)

static_cast 通常用於數值類型轉換，例如枚舉和整型，整型和浮點類型的轉換。

在標準 C++ 中，static_cast 轉換沒有運行時檢測來保證安全性。在 C++/CX 中，則包含瞭編譯和運行時檢測。

static_cast 運算符能夠用於將基類指針轉換為派生類指針，但這樣的轉換不總是安全的。

下面還是通過示例進行講解。

示例1：

class B {};
class D : public B {};

void f(B* pb, D* pd) {
 D* pd2 = static_cast<D*>(pb); // Not safe, D can have fields
         // and methods that are not in B.

 B* pb2 = static_cast<B*>(pd); // Safe conversion, D always
         // contains all of B.
}

示例1 中 pd2 不為空，當用指針 pd2 調用 B 類型對象不存在的方法或者成員時可能會發生運行時錯誤（比如調用虛函數）或者返回非預期的值。

示例2：

typedef unsigned char BYTE;

void f() {
 char ch;
 int i = 65;
 float f = 2.5;
 double dbl;

 ch = static_cast<char>(i); // int to char
 dbl = static_cast<double>(f); // float to double
 i = static_cast<BYTE>(ch);
}

示例2 中 static_cast 運算符顯示地將內置類型進行轉換。

關於 static_cast 運算符，還有以下幾種使用情況：

  • static_cast 能夠顯式的將整型轉換為枚舉類型。如果整型值不在枚舉值范圍內，那麼返回的枚舉值是未定義的。
  • static_cast 能將任何 expression 顯式地轉換為 void 類型。
  • static_cast 操作符不會去除 const，volatile，__unaligned 屬性。

區分幾種強制轉換的使用場景

dynamic_cast 主要用於多態類型的強制轉換，而 static_cast 主要用於非多態類型的強制轉換。

static_cast 轉換不像 dynamic_cast 那樣安全。因為 static_cast 沒有運行時檢測。通過 dynamic_cast 進行轉換時，一旦存在歧義，就會導致失敗，然而 static_cast 會像沒有錯誤發生一樣返回結果。盡管 dynamic_cast 更加安全，但 dynamic_cast 僅適用於指針和引用，並且運行時檢測是需要消耗性能的。

示例：

class B {
public:
 virtual void Test(){}
};
class D : public B {};

void f(B* pb) {
 D* pd1 = dynamic_cast<D*>(pb);
 D* pd2 = static_cast<D*>(pb);
}

如果 pb 實際指向類型 D 或者 pd == 0，那麼 pd1 和 pd2 將獲得相同的值。

如果 pb 實際指向類型 B，那麼 dynamic_cast 會返回 0。但是 static_cast 依賴於 expression 認定 pb 指向 D 類型對象，於是簡單的返回 D 類型的指針。

結果就是，static_cast 轉換會繼續執行，但其返回結果是未定義的。這就需要調用者去進一步驗證轉換結果是有效的。

引用

https://docs.microsoft.com/en-us/cpp/cpp/casting?view=msvc-160

總結

到此這篇關於C++基礎入門篇之強制轉換的文章就介紹到這瞭,更多相關C++強制轉換內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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