C++标准转换运算符

2022-11-16 08:27:44

　　C++类型转换在实际编程中会经常使用，其实，本质上对象的类型用来解释(interpret)对象。因为，每个对象都占据一块内存空间，这块内存空间存放了一段二进制数据。通过标记该对象的类型，告诉如何看待这块二进制数据。而对象数据类型转换，就是将源类型解释的内存空间转换为目标类型来解释这块内存空间。

传统转换方式(Traditional Type-Casting)是沿用c的方式，通过强制类型转换，隐式转换，显示转换等方式来标识内存空间的解释模式，这种方式功能强大，约束少，但存在安全隐患。因此，通过 static_cast, dynamic_cast, reinterpret_cast，以一种更安全的方式来完成传统转换方式的替换。

static_cast 是在编译时就对类型进行检查和转换，是对传统转换的一种规范的表现形式。它会编译期检查源类型与目标类型的关系，以确定这种转换可否实现。
dynamic_cast是在运行时动态对源类型和目标类型进行检查，以确定转换可否实现，并且还会进行源类型对象和目标类型对象的完整性检查。
reintepret_cast是一种"野蛮"的强行转换，它不过多进行源对象类型和目标对象类型的检查，只将源对象内存空间按照目标对象类型进行解释即可。

一般在转换过程中可以通过如下几种方式来实现：

转换类型	应用场景和使用
传统的转换方式(C式或函数式)	使用在基本数据类型和自定义对象类型转换，各种类型的强制转换等场合，使用范围很广，缺点是存在安全隐患，因此提供其他四种类型转换在特定的场合来做替代。这也是延续C的形式，当然这类转换也是可以用static_cast来替换，但是因为是基本类型，所以传统转换已经很直观
static_cast转换运算符	用在特定场景对象转换之上，static_cast会调用相应的构造函数或者重载的转换运算符[不包括赋值运算符]。对于单参构造函数的存在可能会引发一些隐式的转换，因此用static_cast也可以明确的指出类型的转换过程，避免生成多余的临时对象造成效率下降(Google C++ Style Guide) [虽然static_cast也可以用在有继承关系的类型指针之间，但是还是将这方面的转换交给dynamic_cast来操作吧]
dynamic_cast转换运算符	将其用在具有继承关系的指针类型之间的转换。无论是从基类到子类的转换，还是子类到基类的转换，都将dynamic_cast套上去，也算是标识它们是一家子
reinterpret_cast转换运算符	一般用在将对象指针类型转换到整数类型或者void * （空指针）。需要注意的是，若要使用其结果，一定要将类型转换回去后使用，否则会存在隐患。也不要将随意的整数转换成指针类型
const_cast转换运算符	用在需要去除掉const限定的时候。其实这种情况出现的很少，可能的方法在const_cast一文中已经又举例，不过还是反复强调，使用const_cast转换后，绝对不可试图修改结果的值

　　如果任何一种基于指针或引用的转换，套上四个转换运算符之后都失败，那么所要进行的转换可能就触到了"雷区"了：进行了没意义的转换。比如，对于没有关系的两个类型的指针进行了转换，比如试图转换指向方法的指针了。所以转换运算符对于避免代码出错也很有帮助。

下面我们一一分析上述转换类型

一、传统的转换方式(Traditional Type-Casting)

　　C++作为C语言的超集，完全继承了C语言所具有的类型转换方法和能力，因此对于这部分在基础数值类型上的转换是比较容易理解的。但是因为C++是面向对象的语言，有类的概念，因此让又多一层需要理解的内容。

1. 隐式转换 (Implicit Conversion)

　　　隐式转换不需要任何转换运算符，编译器会自动根据类型兼容性进行不同类型之间的转换。

2. 显示转换 (Explicit Conversion)

　　　　显示转换要表明所要转换的目标对象是什么样的类型，然后编译器会做出转换，它有两种格式：

- C语言格式(C-like Cast)

　　　　　　　(new_type) expression

- 函数式(Function-style Cast)

　　　　　　 new_type (expression)

二、static_cast <new_type> (expression)

1. 和传统转换类型一样，static_cast可以对基础类型和对象进行类型转换。而基础类型和对象的转换都是其他三个转换运算符所办不到的。

　　　　这些转换跟传统类型转换比较类似，即传统转换均可加上static_cast。

　　　　 static_cast会根据下述顺序寻找合适的方法进行类型转换。

- <1>. 构造函数（Constructor）
- <2>. 类型转换运算符（Type –Cast Operator)

　　　　*赋值运算符并不被static_cast作为实际的类型转换使用，因为它自身已经是一种运算符，不能再当做转换运算符来用。

2. static_cast不仅可以用在基本数据类型和对象上，还可以用在指针和引用上。

　　　　在指针和引用方面，只有继承关系是可以被static_cast接受的，其他情况的指针和引用转换都会被static_cast直接扔出编译错误，如下代码。

　　　　这就要通过reinterpret_cast<type>()来完成了。

class A{

    public:

         int m_a;

 }

 int main(){

      A* pa = new A();

      int ia = static_cast<long>(pa);

      return ;

}

　　error: invalid static_cast from type ‘A*’ to type ‘long int’
　　int ia = static_cast<long>(pa);
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ^

　　继承关系类型间转换可以通过static_cast，但会存在安全隐患，实际上这层关系上的转换又几乎都可以被dynamic_cast所代替。

　　因此，static_cast<type>()用在特定场景对象转换之上，static_cast会调用相应的构造函数或者重载的转换运算符[不包括赋值运算符]。对于单参构造函数的存在可能会引发一些隐式的转换，因此用static_cast也可以明确的指出类型的转换过程，避免生成多余的临时对象造成效率下降.[虽然static_cast也可以用在有继承关系的类型指针之间，但是还是将这方面的转换交给dynamic_cast来操作吧]

三、dynamic_cast <new_type> (expression)

　　dynamic_cast是动态类型转换，及对象类型的转换过程发生在运行时，如果转换不成功就返回null，转换成功返回目标对象。dynamic在转换的过载中会对源对象和目标对象类型做完整性检查。也就是目标对象的内存模型必须 >= 源目标对象的内存模型

1. 子类 -->基类，static_cast和dynamic_cast都是成功并且正确的（所谓成功是说转换没有编译错误或者运行异常；所谓正确是指方法的调用和数据的访问输出是期望的结果），这是面向对象多态性的完美体现。　　
2. 基类 -->子类 , static_cast和dynamic_cast都是成功的，但是正确性方面，我对两者的结果都先进行了是否非空的判别：
- dynamic_cast的结果显示是空指针，
- 而static_cast则是非空指针。

　　　　但很显然，static_cast的结果应该算是错误的，子类指针实际所指的是基类的对象，而基类对象并不具有子类的Study()方法。

3. 对于没有关系的两个类之间的转换，输出结果表明，
- dynamic_cast依然是返回一个空指针以表示转换是不成立的；
- static_cast直接在编译期就拒绝了这种转换。
- reinterpret_cast成功进行了转换，而且返回的值并不是空指针，但是结果显然是错误的。

　　最后，程序里还用dynamic_cast希望把用其他转换运算符转换过去的指针转换回来。对于使用static_cast转换后指向了子类对象的基类指针，dynamic_cast判定转换是合理有效的，因此转换成功获得一个非空的指针并且正确输出了结果；而对于reinterpret_cast转换的类型，的确如它的功能一样——重新解析，变成新的类型，所以才得到dynamic_cast判定该类型已经不是原来的类型结果，转换得到了一个空指针。

四、reinterpret_cast <new_type> (expression)

　　reinterpret_cast运算符是用来处理无关类型之间的转换；它会产生一个新的值，这个值会有与原始参数（expressoin）有完全相同的内存空间。

　　也就是说，reinterpret_cast会将源对象的内存空间按照目标对象的类型格式进行解释，以将源类型对象转换目标类型对象。reinterpret_cast的字面意思：重新解释（类型的内存空间）。转换后的对象是否合法和正确、可用，reinterpret并不做保证。

五、const_cast <new_type> (expression)

　　用const_cast来去除const限定，使用const_cast去除const限定的目的绝对不是为了修改它的内容。

六、总结

　　以上分别介绍了各种类型转换，及其可能使用的场景。

　　总得说来，static_cast和reinterpret_cast运算符要么直接被编译器拒绝进行转换，要么就一定会得到相应的目标类型的值。而dynamic_cast却会进行判别，确定源指针所指的内容，是否真的合适被目标指针接受。如果是否定的，那么dynamic_cast则会返回null。这是通过检查"运行期类型信息"（Runtime type information，RTTI）来判定的，它还受到编译器的影响，有些编译器需要设置开启才能让程序正确运行（导师的PPT详细介绍了Visual Studio的情况），因此dynamic_cast也就不能用传统的转换方式来实现了。