C++中的提供的四种类型转换方式详解
目录
- C++中的提供的四种类型转换方式详解
- 前言
- 1. `static_cast`
- 2. `dynamic_cast`
- 向上转型（派生类到基类）
- 向下转型（基类到派生类）
- 交叉转型（在多继承等复杂情况）
- 3. `const_cast`
- 4. `reinterpret_cast`
前言
在日常的代码编写中，我们经常会遇到有意识和没有意识的类型转换，而直接用C语言提供的强行转换或者干脆是没有意识的隐式类型转换是不安全的，且容易造成一些难以排除的错误。
常见的隐式类型转换：
1、算术运算中的类型转换
整型提升：在进行算术运算时，
char、short等较小的整型类型通常会被提升为int类型（如果int类型能够表示其值的范围）。例如：char a = 5; char b = 6; int c = a + b;这里
a和b在执行加法运算时会被隐式提升为int类型，然后再进行计算，结果存储在int类型的c中。
不同整型类型的混合运算：当不同大小的整型类型（如
int和long）进行算术运算时，编译器会将较小的类型转换为较大的类型，以避免数据丢失。例如：double d = 3.14; int i = d;这里
int类型的i被隐式转换为double类型，然后赋给d。2、赋值运算中的类型转换
将较小类型的值赋给较大类型的变量：当把一个值赋给一个能容纳更大范围值的变量时，会自动进行类型转换。
将较大类型的值赋给较小类型的变量（可能导致数据丢失）：如果将一个较大类型的值赋给一个较小类型的变量，并且该值在较小类型的表示范围内，则进行隐式转换，可能会截断数据。
3、函数调用中的类型转换
参数传递：当函数参数的类型与传入的值类型不完全一致时，如果可以进行隐式转换，编译器会自动进行转换。
4、初始化中的类型转换
初始化对象时的类型转换：在初始化一个变量或对象时，如果初始化值的类型与被初始化对象的类型不同，但存在合适的隐式转换关系，则会进行转换。
5、布尔值转换
在 C++ 中，整数类型、指针类型等可以隐式转换为布尔值。非零值转换为
true，零值转换为false。
而c++提供了四种标准的类型转换，极大程度上解决了这些不确定性。
1. static_cast
static_cast用于在相关类型之间进行转换，这些类型在概念上是相关的，编译器在大多数情况下可以隐式执行的类型转换都可以用static_cast显式完成。例如，基本数据类型之间的转换，像int和float之间
int i = 10;
float f = static_cast<float>(i);
- 用于类层次结构中的转换：
在类层次结构中，static_cast可用于向上转型（将派生类指针或引用转换为基类指针或引用），这是一种安全的转换，因为派生类对象包含了基类的所有信息。
class Base {};
class Derived : public Base {};
Derived d;
Base* b = static_cast<Base*>(&d);
局限性：
它不能用于在不相关的类型之间进行转换，比如将一个指针转换为一个完全不相关类型的指针，而且它不进行运行时类型检查，对于向下转型（将基类指针或引用转换为派生类指针或引用）可能存在风险，如果转换的对象不是期望的派生类类型，会导致未定义行为。
常见的相关类型：
1、整型之间
2、枚举类型与整型
3、指针和 void*
4、具有相同底层表示的类型：如：
struct StructA { int value; }; struct StructB { int anotherValue; }; StructA a = { 5 }; StructB b = static_cast<StructB>(a);5、有继承关系的类
在 C++ 中，不同类型的指针在特定平台上其大小可能是相同的（比如在 32 位系统中指针通常是 4 字节，在 64 位系统中通常是 8 字节），但它们所指向的对象类型和内存布局含义完全不同。static_cast不能用于在两个没有关系的指针类型之间进行转换。
static_cast的转换规则限制
static_cast是基于类型兼容性进行转换的，对于指针类型，它主要用于在类层次结构中的向上转型（安全的，因为派生类包含基类的所有信息）以及相关类型指针之间有意义的转换（比如void*与其他类型指针在符合逻辑的情况下）。如果试图使用static_cast在两个完全不相关的指针类型（如int*和double*）之间转换，编译器会报错，因为这种转换不符合static_cast所遵循的类型规则。
2. dynamic_cast
dynamic_cast主要用于在类的继承层次结构中进行安全的和向上向下转型或交叉转型（在多继承情况下）。它在运行时检查对象的类型信息。
向上转型（派生类到基类）
转换规则：在向上转型时，dynamic_cast可以像static_cast一样将派生类指针或引用安全地转换为基类指针或引用。因为派生类包含了基类的所有信息，这种转换总是成功的（只要类型正确）。例如：
class Base { virtual void foo() {} };
class Derived : public Base {};
Derived d;
Base* b = dynamic_cast<Base*>(&d);
这里b成功指向d对象，因为Derived是Base的派生类，这种转换是多态类型安全的，即使没有使用dynamic_cast，使用static_cast也能完成，但dynamic_cast在这种情况下会在运行时检查类型信息（虽然这里向上转型一定成功，但它遵循运行时检查机制）。
向下转型（基类到派生类）
转换规则：当进行向下转型时，dynamic_cast会在运行时检查被转换对象的实际类型。只有当基类指针或引用实际指向的是目标派生类类型（或其派生类）的对象时，转换才会成功。如果是指针类型，转换失败会返回nullptr；如果是引用类型，转换失败会抛出std::bad_cast异常。例如：
class Base { virtual void foo() {} };
class Derived : public Base {};
Base* b = new Derived;
Derived* d = dynamic_cast<Derived*>(b); // 成功，因为b实际指向Derived对象
Base* basePtr = new Base;
Derived* derivedPtr = dynamic_cast<Derived*>(basePtr); // 失败，返回nullptr（指针类型）
try {
Derived& derivedRef = dynamic_cast<Derived&>(*basePtr); // 失败，抛出std::bad_cast异常（引用类型）
} catch (const std::bad_cast& e) {}
应用场景：这种运行时类型检查机制使得在复杂的类层次结构中，可以安全地进行向下转型操作，尤其是当通过基类指针或引用操作对象，但在某些情况下需要访问派生类特有的成员或功能时非常有用。
交叉转型（在多继承等复杂情况）
转换规则：在多继承的情况下，dynamic_cast也能正确处理复杂的类型转换。例如，有类Base1、Base2和Derived，其中Derived同时继承自Base1和Base2：
class Base1 { virtual void foo1() {} };
class Base2 { virtual void foo2() {} };
class Derived : public Base1, public Base2 {};
Base1* base1Ptr = new Derived;
Base2* base2Ptr = dynamic_cast<Base2*>(base1Ptr);
// 如果base1Ptr实际指向Derived对象，可以成功转换到Base2*，利用了运行时类型信息和多继承的内存布局
重要性：这在处理复杂的类关系和对象类型不确定的情况下，能保证类型转换的安全性和正确性，避免了对内存中对象的错误访问。
所以，dynamic_cast主要用于处理类层次结构中的类型转换，无论是向上转型、向下转型还是在多继承等复杂场景下的交叉转型，都利用了其运行时类型检查的特性来确保安全。
- 用于多态类型的检查：
如果dynamic_cast的目标类型是指针类型，并且转换失败，它会返回nullptr；如果目标类型是引用类型，并且转换失败，它会抛出std::bad_cast异常。这使得在处理类层次结构中的对象时，可以更安全地确定对象的实际类型。- 局限性：
dynamic_cast只能用于包含虚函数的类层次结构中，因为它依赖于运行时类型信息（RTTI），而 RTTI 是通过虚函数表来实现的。对于非多态类型（没有虚函数的类），不能使用dynamic_cast。
3. const_cast
const_cast用于去除或添加const或volatile限定符。它主要用于在函数中，当一个参数被声明为const，但函数内部需要修改这个值的情况（这种情况通常表明设计可能存在问题，但在某些特定场景下有其用途）。例如：
void func(const int* ptr) {
int* non_const_ptr = const_cast<int*>(ptr);
*non_const_ptr = 10;
}
注意事项：
使用const_cast去除const限定符并修改const对象的值是一种危险的操作，可能会导致未定义行为，尤其是当这个const对象在其他地方被期望保持不变时。只有当确定对象最初不是const，只是在当前指针或引用的限定中有const修饰时才能安全使用。
4. reinterpret_cast
reinterpret_cast是一种较为危险的类型转换操作符，它可以将一种类型的指针转换为另一种完全不同类型的指针，或者将一个整数转换为指针，反之亦然。例如：
int i = 10;
void* ptr = reinterpret_cast<void*>(&i);
// 将int* 转换为void*
用于特殊的内存操作（谨慎使用）：
在一些底层编程中，比如与硬件交互或者实现特定的内存布局操作时可能会用到。但这种转换几乎不进行任何类型检查，很容易导致程序出现严重的错误，如内存访问违规、数据损坏等。例如，将一个指向char数组的指针reinterpret_cast为一个指向复杂结构体的指针并访问，可能会破坏内存中数据的原有含义。
reinterpret_cast本身不保证安全，使用它时需要程序员对所涉及的底层机制（如硬件、内存布局、数据表示等）有深入了解，并经过仔细的设计和验证，以尽量避免可能出现的错误。它是一种强大但极具危险性的工具，应谨慎使用。
