C++霧中風景11:厘清C++類型轉換(static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast)

C++是一門弱類型的語言，提供了許多複雜和靈巧類型轉換的方式。筆者之前寫的Python與Go都是強類型的語言，對這種弱類型的設計實在是接受無力啊 （ 生活所迫，工作還得寫C++啊）C++語言提供了四種類型轉換的操作：static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast，今天就來聊一聊，在C++之中應該如何來使用這些類型轉換的。

1.舊式類型轉換

開門見山，先聊聊筆者對類型轉換的看法吧。從設計上看，一門面向對象的語言是不一樣提供類型轉換的，這種方式破壞了類型系統。C++為了相容C也不得不吞下這個苦果，在實際進行程式設計工作的過程之中，并不太推薦大家使用類型轉換。（Java在這裡就做了一些妥協，在基本類型之中提供了類型轉換。對于對象類型則不提供類型轉換這種黑魔法）

C++之中提供了兩種類型轉換的方式，第一種方式沿用了C語言之中的類型轉換，稱之為舊式類型轉換。說起來也很簡單，舉個栗子：

char x = 'c';
int y = (int) x;           

這是最簡單的一個舊式類型轉換，一個char類型被裝換為一個int類型。但是這種舊式的類型轉換是存在問題的：過于粗暴且極易失控，是以C++新提供了四種新式的類型轉換來替代舊式的類型轉換，這四種類型轉換分别用于不用的轉換場景，接下來筆者來一一梳理一下它們的用法。

2.新式的類型轉換

C++語言提供了四種新式類型轉換的操作：

static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast，這些操作都依托了C++的模闆來使用，标準的用法是

xxx_cast<轉換類型>(轉換參數)           

這種新式轉換優于舊式的轉換就在于：編譯器可以在轉換期間進行更多的檢查，對于一些不符合轉換邏輯的轉換進行一些糾錯。而某些類型轉換操作可以利用RTTI(運作時類型資訊)來確定類型轉換的合理，這是舊式的類型轉換無法達成的效果。

• const_cast

從名字上就可以看出來，這厮是用來對const屬性進行類型轉換的。這個名字取得有些偏頗，它同樣适用于volatile屬性。它可以為變量添加或接觸上述屬性，它也是新式轉換之中唯一具有這個能力的轉換方式，沒有什麼額外的坑，使用者體驗良好：（但是偶爾對于const屬性的轉換需要執行多步，先通過const_cast轉換，再借助其他轉換）

//函數需要傳遞const屬性的變量，如atoi
atoi（const_cast<const char*>(char_ptr)）           

• static_cast

static_cast 是靜态的轉換形式，不通過運作時類型檢查來保證轉換的安全性。它主要用于如下場合：

• 用于基本資料類型之間的轉換，如把long轉換成char，把int轉換成char。
• 用于面向對象程式設計之中基類與派生類之間的指針或引用轉換。它分為兩種

  **上行轉換**（把派生類的指針或引用轉換成基類）是安全的；
    **下行轉換**（把基類指針或引用轉換成派生類），由于沒有運作時的動态類型檢查，是以是不安全的。           

• 把非const屬性的類型轉換為const類型，但是不能将const類型轉換為非const類型，這個得借助前文的const_cast。
• void 的空指針轉換成其他類型的的空指針。

上面的幾種概念的比較好了解，這裡筆者着重聊聊上下行轉換：不啰嗦，看代碼：

class Bird {
public:
    virtual void fly() {
        cout << "I can fly." << endl;
    }
};

class Penguin:public Bird {
public:
    void fly() {
        cout << "I can't fly." << endl;
    }
};            

上述代碼我們定義了兩個類Bird與Penguin：

int main() {
    Penguin* p = new (std::nothrow) Penguin;
    Bird* b = static_cast<Bird *>(p);

    b->fly();
    return 0;
}           

上行轉換，将派生類轉換為基類的指針，合法。

int main() {
    Bird* b = new (std::nothrow) Bird;
    Penguin* p = static_cast<Penguin *>(b);
    
    if (p != nullptr) {
          p->fly();
     } else {
       
    }
    return 0;
}           

下行轉換，将基類轉換為派生類的指針，此時程式的行為是不确定的。并且編譯期間并沒有警告，這是一種十分危險的用法，是以使用時一定要謹小慎微。是以接下來就要請出下一種轉換dynamic_cast，這是在對象基類和派生類之間轉換推薦的一種方式。

• dynamic_cast

dynamic_cast主要用于在類層次間進行上下行轉換時，它與static_cast的最大的差別就在于dynamic_cast能夠在運作時進行類型檢查的功能，是以做起類型轉換比static_cast更安全，但是dynamic_cast會耗費更多的系統資源。dynamic_cast是無法通過舊式類型轉換完成的類型轉換。

int main() {
    Bird* b = new (std::nothrow) Bird;
    Penguin* p = dynamic_cast<Penguin *>(b);
    if (p != nullptr) {
        p->fly();
    } else {
        cout << "cast failed" << endl;
    }
    return 0;
}           

dynamic_cast對于非法的下行轉換會傳回空指針，是以可以在一定程度上避免不安全的類型轉換。

• reinterpret_cast

  reinterpret_cast主要用于指針類型之間的轉換，和對象到指針類型之間的轉換。reinterpret就是對資料的比特位重新解釋轉換為我們需要轉換的對象。其與static_cast的差別在于其能處理有繼承關系類的指針和内置資料類型的轉換。而reinterpret_cast能夠處理所有指針(引用)之間的轉換

int main() {
    Bird* b = new (std::nothrow) Bird;
    Penguin* p = reinterpret_cast<Penguin *>(b);
    if (p != nullptr) {
        p->fly();
    } else {
        cout << "cast failed" << endl;
    }
    return 0;
}           

上述代碼依舊可以轉換成功，結果不可控。

3.小結

梳理完C++新引進的四種類型轉換符之後，想必大家在實踐之中可以很好的運用好這些C++的類型轉換。後續筆者還會繼續深入的探讨有關C++之中類型系統相關的内容，歡迎大家多多指教。