C++霧中風景11:釐清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。筆者以前寫的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，工做還得寫C++啊~~）C++語言提供了四種類型轉換的操做：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見解吧。從設計上看，一門面向對象的語言是不同提供類型轉換的，這種方式破壞了類型系統。C++爲了兼容C也不得不吞下這個苦果，在實際進行編程工做的過程之中，並不太推薦你們使用類型轉換。（Java在這裏就作了一些妥協，在基本類型之中提供了類型轉換。對於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，稱之爲舊式類型轉換。提及來也很簡單，舉個栗子：

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

這是最簡單的一箇舊式類型轉換，一個char類型被裝換爲一個int類型。可是這種舊式的類型轉換是存在問題的：過於粗暴且極易失控，因此C++新提供了四種新式的類型轉換來替代舊式的類型轉換，這四種類型轉換分別用於不用的轉換場景，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做：
static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast，這些操做都依託了C++的模板來使用，標準的用法是

xxx_cast<轉換類型>(轉換參數)

這種新式轉換優於舊式的轉換就在於：編譯器能夠在轉換期間進行更多的檢查，對於一些不符合轉換邏輯的轉換進行一些糾錯。而某些類型轉換操做能夠利用RTTI(運行時類型信息)來確保類型轉換的合理，這是舊式的類型轉換沒法達成的效果。

• const_cast

從名字上就能夠看出來，這廝是用來對const屬性進行類型轉換的。這個名字取得有些偏頗，它一樣適用於volatile屬性。它能夠爲變量添加或接觸上述屬性，它也是新式轉換之中惟一具備這個能力的轉換方式，沒有什麼額外的坑，用戶體驗良好：（可是偶爾對於const屬性的轉換須要執行多步，先經過const_cast轉換，再借助其餘轉換）

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

• static_cast

static_cast 是靜態的轉換形式，不經過運行時類型檢查來保證轉換的安全性。它主要用於以下場合：

• 用於基本數據類型之間的轉換，如把long轉換成char，把int轉換成char。

• 用於面向對象編程之中基類與派生類之間的指針或引用轉換。它分爲兩種
  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），因爲沒有運行時的動態類型檢查，因此是不安全的。
• 把非const屬性的類型轉換爲const類型，可是不能將const類型轉換爲非const類型，這個得藉助前文的const_cast。

• void 的空指針轉換成其餘類型的的空指針。

上面的幾種概念的比較好理解，這裏筆者着重聊聊上下行轉換：不囉嗦，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;
    }
};

上述代碼咱們定義了兩個類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，將派生類轉換爲基類的指針，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，將基類轉換爲派生類的指針，此時程序的行爲是不肯定的。而且編譯期間並無警告，這是一種十分危險的用法，因此使用時必定要謹小慎微。因此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主要用於在類層次間進行上下行轉換時，它與static_cast的最大的區別就在於dynamic_cast可以在運行時進行類型檢查的功能，因此作起類型轉換比static_cast更安全，可是dynamic_cast會耗費更多的系統資源。dynamic_cast是沒法經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對於非法的下行轉換會返回空指針，因此能夠在必定程度上避免不安全的類型轉換。

• reinterpret_cast
  reinterpret_cast主要用於指針類型之間的轉換，和對象到指針類型之間的轉換。reinterpret就是對數據的比特位從新解釋轉換爲咱們須要轉換的對象。其與static_cast的區別在於其能處理有繼承關係類的指針和內置數據類型的轉換。而reinterpret_cast可以處理全部指針(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;
}

上述代碼依舊能夠轉換成功，結果不可控。

3.小結

梳理完C++新引進的四種類型轉換符以後，想必你們在實踐之中能夠很好的運用好這些C++的類型轉換。後續筆者還會繼續深刻的探討有關C++之中類型系統相關的內容，歡迎你們多多指教。