显式转化(C++ Primer 4.11.3)

有时我们希望显式地将对象强制转换成另外一种类型。例如,如果想要下面的代码中执行浮点数除法:

  • int i, j;
  • double slop = i / j;

就要使用某种方法将i 和/或 j显式地转化成double,这种方法称作强制类型转化(cast)。

虽然有时不得不使用强制类型转化,但这种方法本质上是非常危险的

命名的强制类型转化

一个命名的强制类型转化具有如下形式:

cast-name<type>(expression)

其中,type是转化的目标类型,而expression是要转化的值。如果type是引用类型,则结果是左值。cast-name是 static_cast 、 dynamic_cast 、 const_cast 和 reinterpret_cast 中的一种。dynamic_cast支持运行时类型识别,我们将在19.2节对其做更详细的介绍。cast-name指定了执行的是哪种转化。

static_cast

任何具有明确定义的类型转化,只要不包含底层const,都可以使用static_cast。例如,通过将一个运算对象强制转换成double类型就能使表达式执行浮点数除法:

  • // 进行强制类型转换以便执行浮点数除法
  • double slope = static_cast<double>(j) / i;

当需要把一个较大的算术类型赋值给较小的类型时,static_cast非常有用。此时,强制类型转化告诉程序的读者和编译器:我们知道并且不在乎潜在的精度损失。一般来说,如果编译器发现一个较大的算术类型试图赋值给较小的类型,就会给出警告信息;但是当我们执行了显示的类型转化后,警告信息就会被关闭了。

static_cast对于编译器无法自动执行的类型转换也非常有用。例如,我们可以使用static_cast找回存在于void*指针中的值:

  • void* p = &d; // 正确:任何非常量对象的地址都能存入void*
  • double* dp = static_cast<double*>(p); //正确:将void*转化回初始的指针类型

当我们把指针存放在void*中,并且使用static_cast将其强制转换回原来的类型时,应该确保指针的值保持不变。也就是说,强制转换的结果将与原始的地址值相等,因此我们必须确保转换后所得的类型就是指针所指的类型。类型一旦不符,将产生未定义的后果。

const_cast

const_cast只能改变运算对象的底层const:

  • const char* pc;
  • char* p = const_cast<char*>(pc); // 正确:但是通过p写值是未定义的行为

对于将常量对象转换成非常量对象的行为,我们一般称其为“去掉const性质”(cast away the const)。一旦我们去掉了某个对象的const性质,编译器就不会阻止我们对该对象进行写操作了。如果对象本身不是一个常量,再使用const_cast执行写操作就会产生未定义的后果。

只有const_cast能改变表达式的常量属性,使用其他形式的命名强制类型转化改变表达式的常量属性都将引发编译器错误。同样的,也不能用const_cast改变表达式的类型:

  • const char* cp;
  • char* p = static_cast<char*>(cp); // 错误: static_cast不能转换掉const性质
  • static_cast<string>(cp); // 正确: 字符串字面值转换成string类型
  • const_cast<string>(cp); // 错误: const_cast只改变常量属性

const_cast常常用于有函数重载的上下文中,关于函数重载将在6.4节进行详细介绍。

reinterpret_cast

reinterpret_cast通常为运算对象的位模式提供较低层次上的重新解释。举个例子,假设有如下的转化:

  • int* ip;
  • char* pc = reinterpret_cast<char*>(ip);

我们必须牢记pc所指的真实对象是一个int而非字符,如果把pc当成普通的字符指针使用就可能在运行时发生错误。例如:

  • string str(pc);

可能导致异常的运行时行为。

使用reinterpret_cast是非常危险的,用pc初始化str的例子很好地证明了这一点。其中的关键问题是类型改变了,但编译器没有给出任何警告或者错误的提示信息。但我们用一个int的地址初始化pc时,由于显式地声称这种转换合法,所以编译器不会发出任何警告或错误信息。接下来再使用pc时就会认定它的值是char*类型,编译器没法知道它实际存放的是指向int的指针。最终的结果就是,在上面的例子中虽然用pc初始化str没什么实际意义,甚至还可能引发更糟糕的后果,但仅从语法上而言这种操作无可指摘。查找这类问题的原因非常困难,如果将ip强制转换成pc的语句和用pc初始化string对象的语句分属不同文件就更是如此。

reinterpret_cast本质上依赖于机器。要想安全地使用reinterpret_cast必须对涉及的类型和编译器实现转化的过程都非常了解。

旧式的强制类型转化

在早期版本的C++语言中,显式地进行强制类型转换包含两种形式:

  • type(expr); // 函数形式的强制类型转化
  • (type)expr; // C语言风格的强制类型转化

根据所涉及的类型不同,旧式的强制类型转化分别具有与const_cast、static_cast或reinterpret_cast相似的行为。当我们在某处执行旧式的强制类型转换时,如果换成const_cast和static_cast也合法,则其行为与对应的命名转换一致。如果替换后不合法,则旧式强制类型转换执行与reinterpret_cast类似的功能。

与命名的强制类型转化相比,旧式的强制类型转化从表现形式上来说不那么清晰明了,容易看漏,所以一旦转换过程出现问题,追踪起来也更加困难。

练习

1.假设 i 是 int 类型,d 是 double 类型,书写表达式 i *= d 使其执行整数类型的乘法而非浮点类型的乘法。

  • i *= static_cast<int>(d);

2.用命名的强制类型转换改写下列旧式的转换语句。

int i; double d; const string* ps; char* pc; void* pv;

(1) pv = (void*)ps;

(2) i = int(*pc);

(3) pv = &d;

(4) pc = (char*)pv;

  1. pv = static_cast<string*>( const_cast<string*>(ps) );
  2. i = static_cast<int>(*pc);
  3. pv = static_cast<void*>(&d);
  4. pc = static_cast<char*>(pv);

总结和思考

在书中了解到,强制类型转换相较于旧式的强制类型转换阅读起来更加直观,而且能去除编译器的警告。

针对static_cast、const_cast和reinterpret_cast什么情况下使用,有以下思考:

const_cast是最明确的,功能就是去掉const性质。

static_cast是最常用的,前面有一例,static_cast可以将char*转换成string,有点直接调用构造函数的感觉。书中提到,只要“合法”就能使用static_cast,这边的合法应该就是指有对应的构造函数。

reinterpret_cast对应的就是“非法”的转化,应该往往是指针类型的转换,这让我想起之前看到的一些了解对象模型的例子。因为更偏向于底层的内存分布查看,平时编程基本用不到,这也是练习中没有用到reinterpret_cast的原因。