C++基礎(chǔ)入門篇之強制轉(zhuǎn)換講解-創(chuàng)新互聯(lián)

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引言

假設(shè)有基類 A，包含了虛函數(shù) func1，以及有派生類 B，繼承于類 A，派生類 B 中實現(xiàn)了函數(shù) func1。此時可以用 A 類型的指針指向 B 類型的對象，并用 A 類型的指針調(diào)用 B 類型對象中的函數(shù) func1。這時，就形成了多態(tài)。包含虛函數(shù)的類 A，我們也稱為多態(tài)類。

由于派生類 B 完整包含了 基類 A 的所有定義，將 B 類型的指針轉(zhuǎn)換為 A 類型的指針總是安全的。

而將 A 類型的指針強制轉(zhuǎn)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，那么轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換有哪些類型？

C++ 包含了以下幾種強制轉(zhuǎn)換運算符，這些運算符用于消除老式 C 語言轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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*，那么在運行時將檢測 expression 的實際類型。其結(jié)果返回 expression 指向的完整對象。

如非需要，現(xiàn)代 C++ 中應(yīng)該避免使用 void 指針，因為容易出錯。

下面看些示例，了解 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 中提到了子對象(subobject)的概念，注意與子類型進(jìn)行區(qū)分：

  • Root 類型包含子類型 Base，Base 類型包含子類型 Derived。

  • Derived 對象包含了 Base 類型的子對象，Base 類型的子對象又包含了 Root 類型的子對象。


再聯(lián)系下前面說的：派生類完整包含了基類的所有定義。

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(zhuǎn)換為 pd2 時，不會報錯，返回 nullptr。但如果同樣地情況轉(zhuǎn)換的對象是引用類型，那么運行時會拋出 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 通常用于數(shù)值類型轉(zhuǎn)換，例如枚舉和整型，整型和浮點類型的轉(zhuǎn)換。

在標(biāo)準(zhǔn) C++ 中，static_cast 轉(zhuǎn)換沒有運行時檢測來保證安全性。在 C++/CX 中，則包含了編譯和運行時檢測。

static_cast 運算符能夠用于將基類指針轉(zhuǎn)換為派生類指針，但這樣的轉(zhuǎn)換不總是安全的。

下面還是通過示例進(jìn)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(dāng)用指針 pd2 調(diào)用 B 類型對象不存在的方法或者成員時可能會發(fā)生運行時錯誤（比如調(diào)用虛函數(shù)）或者返回非預(yù)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(nèi)置類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

關(guān)于 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(zhuǎn)換為枚舉類型。如果整型值不在枚舉值范圍內(nèi)，那么返回的枚舉值是未定義的。

  • static_cast 能將任何 expression 顯式地轉(zhuǎn)換為 void 類型。

  • static_cast 操作符不會去除 const，volatile，__unaligned 屬性。


區(qū)分幾種強制轉(zhuǎn)換的使用場景

dynamic_cast 主要用于多態(tài)類型的強制轉(zhuǎn)換，而 static_cast 主要用于非多態(tài)類型的強制轉(zhuǎn)換。

static_cast 轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)換時，一旦存在歧義，就會導(dǎo)致失敗，然而 static_cast 會像沒有錯誤發(fā)生一樣返回結(jié)果。盡管 dynamic_cast 更加安全，但 dynamic_cast 僅適用于指針和引用，并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，那么 pd1 和 pd2 將獲得相同的值。

如果 pb 實際指向類型 B，那么 dynamic_cast 會返回 0。但是 static_cast 依賴于 expression 認(rèn)定 pb 指向 D 類型對象，于是簡單的返回 D 類型的指針。

結(jié)果就是，static_cast 轉(zhuǎn)換會繼續(xù)執(zhí)行，但其返回結(jié)果是未定義的。這就需要調(diào)用者去進(jìn)一步驗證轉(zhuǎn)換結(jié)果是有效的。

總結(jié)

到此，相信大家對“C++基礎(chǔ)入門篇之強制轉(zhuǎn)換講解”有了更深的了解，不妨來實際操作一番吧！這里是創(chuàng)新互聯(lián)建站，更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢，關(guān)注我們，繼續(xù)學(xué)習(xí)！

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