详解C++四种类型转换
C++的四种类型转换
静态转换(
static_cast)
对于静态类型转换，它主要用于以下几种情况：
- 基本数据类型之间的转换，例如
int到float，char到int等，因此可以替换C风格的强制类型转换。 - 指针或引用类型之间的转换，例如将派生类指针转换为基类指针。
- 枚举类型与整数类型之间的转换。
我们一一来看几个例子：
- 基本数据类型之间的转换：（这里应该考虑到不同类型之间的转换可能会导致精度的损失，应该仔细考虑是否需要转换）
int int_number = 42;float float_number = static_cast<float>(int_number);double double_number = static_cast<double>(int_number);- 指针或引用类型之间的转换：
class Base {};class Derived : public Base {};Base* basePtr = new Derived();Derived* derivedPtr = static_cast<Derived*>(basePtr);需要注意的是，static_cast不会进行运行时类型检查，因此在进行向下转换（从基类指针转换为派生类指针）时，必须确保转换是安全的，否则可能会导致未定义行为。
- 枚举类型与整数类型之间的转换：
enum Color { RED, GREEN, BLUE };Color color = RED;int colorInt = static_cast<int>(color);Color newColor = static_cast<Color>(colorInt);动态转换(
dynamic_cast)
动态转换用于在类层次结构中进行类型转换，主要用于将基类指针转换为派生类指针。它在运行时进行类型检查，如果转换不安全，则返回nullptr。
来看下面的例子：
#include <iostream>
class Base {public: Base() = default; virtual void show() { std::cout << "Base class show function called." << std::endl; } virtual void read(){ std::cout << "Base class read function called." << std::endl; }};
class Derived : public Base {public: Derived() = default; void show() override { std::cout << "Derived class show function called." << std::endl; } void function() { std::cout << "Derived class specific function called." << std::endl; }};
int main() { Base *base_ptr = new Derived();
base_ptr->show(); // 这里会调用Derived的show函数，因为它是虚函数
// 这里为了调用派生类的特有函数，我们需要进行动态转换 Derived *derived_ptr = dynamic_cast<Derived *>(base_ptr); if (derived_ptr) { derived_ptr->function(); // Now we can call Derived's specific function } else { std::cout << "Downcasting failed." << std::endl; }
delete base_ptr; // Clean up return 0;}这段代码的运行结果如下所示：
-
dynamic_cast在这里确保了只有当base_ptr实际上指向一个Derived对象时，转换才会成功。如果base_ptr指向一个Base对象，那么dynamic_cast将返回nullptr，从而避免了不安全的类型转换。 也就是说，dynamic_cast主要用于类层次结构中的安全类型转换，特别是在涉及多态性的情况下。但是由于dynamic_cast在运行时进行类型检查，因此它的性能开销相对较大，在能够明确类型的情况下，建议使用static_cast。 下面我们来分析一下dynamic_cast的性能开销比较大的原因。 -
当一个类中没有虚函数的情况下，编译器不会为该类生成
vptr指针和虚函数表(vtable)。这意味着在运行时，编译器无法获取对象的实际类型信息，从而无法进行动态类型检查。因此dynamic_cast在这种情况下无法工作。 而当一个函数中含有虚函数的时候，编译器会为该类生成一个隐藏的指针，通常称为vptr（虚指针），它指向该类的虚函数表(vtable)。这个虚函数表包含了类的所有虚函数的地址，以及类型信息。 以我们上面的代码为例，派生类的vtable结构大致如下所示：
vtable type_info for Derived &Derived::show() &Base::read()
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首先，这个表只会记录虚函数的信息，而不会记录非虚函数的信息。由于我们重写了
show()函数而没有重写read()函数，因此vtable中show()函数的条目指向了派生类的实现，而read()函数的条目仍然指向基类的实现。 当我们试图访问调用一个虚函数时，编译器会通过vptr访问vtable，然后根据函数的偏移量找到对应的函数地址并进行调用。 -
其次，
vtable的第一个条目通常是一个指向类型信息(type_info)的指针，这个信息用于在运行时识别对象的实际类型。
type_info的结构大致如下所示：
type_info for Derived ”Derived” (class name)
当我们使用dynamic_cast进行类型转换时，编译器会通过vptr访问vtable，然后检查第一个条目中的type_info，以确定对象的实际类型。如果类型匹配，转换成功；否则，返回nullptr。
另外，需要说明
dynamic_cast只有在开启了运行时类型信息(RTTI)的情况下才能工作。RTTI允许程序在运行时获取对象的类型信息，这对于动态类型检查是必不可少的。 对于g++编译器，可以通过编译选项-frtti来启用RTTI（默认情况下是启用的）。如果禁用了RTTI，dynamic_cast将无法进行类型检查，可能会导致编译错误或运行时错误。禁用RTTI可以使用-fno-rtti选项。 对于上边的示例代码，禁用之后编译如下所示：
常量转换(const_cast)
常量转换用于去除对象的const或volatile属性。它主要用于修改通过const指针或引用传递的对象。来看下面的这个例子
int main() { const int N = 10; const int *const_ptr = &N; std::cout << "常量指针所指向的值：" << *const_ptr << std::endl; int *ptr = const_cast<int *>(const_ptr); *ptr += 10; // 未定义行为 std::cout << "非常量指针所指向的值：" << *ptr << std::endl;
const int &const_ref = N; std::cout << "常量引用的值" << const_ref << std::endl; int &ref = const_cast<int &>(const_ref); ref += 10; // 未定义行为 std::cout << "非常量引用的值" << ref << std::endl;}这段代码在g++ 15.2 版本的运行结果如下所示
我们试图修改一个原本是常量的对象，尽管看上去没有什么问题，但是实际上这种做法是未定义行为，这段代码的运行结果取决于编译器的实现。也就是说，const_cast只能用于去除const或volatile属性，但不能用于修改原本是常量的对象。
或许你会有疑问：那这样的话const_cast还有什么用呢？实际上，const_cast在某些情况下是有用的，比如当你需要调用一个接受非常量参数的函数，而你手头只有一个常量对象时，就可以使用const_cast来去除const属性。
如下面的代码所示
struct MyData { int value; double moreData;};
int func(MyData *data) { return data->value; }
int main() { MyData d{42, 3.14}; const MyData *const_ptr = &d; MyData *ptr = const_cast<MyData *>(const_ptr); int result = func(ptr); std::cout << "Result: " << result << std::endl;}重新解释转换(reinterpret_cast)
重新解释转换用于在不相关类型之间进行低级别的转换。它通常用于指针类型之间的转换，但需要谨慎使用，因为它可能导致未定义行为。
下面的例子展示了如何逐字节访问一个int整数的内存表示：
#include <cstdint>#include <iostream>
int main() { int32_t number = 42; int *int_ptr = &number; char *char_ptr = reinterpret_cast<char *>(int_ptr); // 在这样转换之后，可以逐字节访问整数的内存表示 for (size_t i = 0; i < sizeof(number); ++i) { std::cout << "Byte " << i << ": " << static_cast<int>(char_ptr[i]) << std::endl; }}下面是该代码的运行结果：
需要注意的是，reinterpret_cast的使用需要非常谨慎，因为它可能导致未定义行为，尤其是在涉及不同类型的指针转换时。因此，只有在确实需要进行低级别内存操作时，才应使用reinterpret_cast。