C++雾中风景11:厘清C++类型转换(static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast)

C++是一门弱类型的语言，提供了许多复杂和灵巧类型转换的方式。笔者之前写的Python与Go都是强类型的语言，对这种弱类型的设计实在是接受无力啊~~ （ 生活所迫，工作还得写C++啊~~）C++语言提供了四种类型转换的操作：static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast，今天就来聊一聊，在C++之中应该如何来使用这些类型转换的。

1.旧式类型转换

开门见山，先聊聊笔者对类型转换的看法吧。从设计上看，一门面向对象的语言是不一样提供类型转换的，这种方式破坏了类型系统。C++为了兼容C也不得不吞下这个苦果，在实际进行编程工作的过程之中，并不太推荐大家使用类型转换。（Java在这里就做了一些妥协，在基本类型之中提供了类型转换。对于对象类型则不提供类型转换这种黑魔法）

C++之中提供了两种类型转换的方式，第一种方式沿用了C语言之中的类型转换，称之为旧式类型转换。说起来也很简单，举个栗子：

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

这是最简单的一个旧式类型转换，一个char类型被装换为一个int类型。但是这种旧式的类型转换是存在问题的：过于粗暴且极易失控，所以C++新提供了四种新式的类型转换来替代旧式的类型转换，这四种类型转换分别用于不用的转换场景，接下来笔者来一一梳理一下它们的用法。

2.新式的类型转换

C++语言提供了四种新式类型转换的操作：
static_cast,dynamic_cast,reinterpret_cast,const_cast，这些操作都依托了C++的模板来使用，标准的用法是

xxx_cast<转换类型>(转换参数)

这种新式转换优于旧式的转换就在于：编译器可以在转换期间进行更多的检查，对于一些不符合转换逻辑的转换进行一些纠错。而某些类型转换操作可以利用RTTI(运行时类型信息)来确保类型转换的合理，这是旧式的类型转换无法达成的效果。

• const_cast

从名字上就可以看出来，这厮是用来对const属性进行类型转换的。这个名字取得有些偏颇，它同样适用于volatile属性。它可以为变量添加或接触上述属性，它也是新式转换之中唯一具有这个能力的转换方式，没有什么额外的坑，用户体验良好：（但是偶尔对于const属性的转换需要执行多步，先通过const_cast转换，再借助其他转换）

//函数需要传递const属性的变量，如atoi
atoi（const_cast<const char*>(char_ptr)）

• static_cast

static_cast 是静态的转换形式，不通过运行时类型检查来保证转换的安全性。它主要用于如下场合：

• 用于基本数据类型之间的转换，如把long转换成char，把int转换成char。

• 用于面向对象编程之中基类与派生类之间的指针或引用转换。它分为两种
  上行转换（把派生类的指针或引用转换成基类）是安全的；
  下行转换（把基类指针或引用转换成派生类），由于没有运行时的动态类型检查，所以是不安全的。

• 把非const属性的类型转换为const类型，但是不能将const类型转换为非const类型，这个得借助前文的const_cast。

• void 的空指针转换成其他类型的的空指针。

上面的几种概念的比较好理解，这里笔者着重聊聊上下行转换：不啰嗦，看代码：

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

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

上述代码我们定义了两个类Bird与Penguin：

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

    b->fly();
    return 0;
}

上行转换，将派生类转换为基类的指针，合法。

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

下行转换，将基类转换为派生类的指针，此时程序的行为是不确定的。并且编译期间并没有警告，这是一种十分危险的用法，所以使用时一定要谨小慎微。所以接下来就要请出下一种转换dynamic_cast，这是在对象基类和派生类之间转换推荐的一种方式。

• dynamic_cast

dynamic_cast主要用于在类层次间进行上下行转换时，它与static_cast的最大的区别就在于dynamic_cast能够在运行时进行类型检查的功能，所以做起类型转换比static_cast更安全，但是dynamic_cast会耗费更多的系统资源。dynamic_cast是无法通过旧式类型转换完成的类型转换。

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对于非法的下行转换会返回空指针，所以可以在一定程度上避免不安全的类型转换。

• reinterpret_cast
  reinterpret_cast主要用于指针类型之间的转换，和对象到指针类型之间的转换。reinterpret就是对数据的比特位重新解释转换为我们需要转换的对象。其与static_cast的区别在于其能处理有继承关系类的指针和内置数据类型的转换。而reinterpret_cast能够处理所有指针(引用)之间的转换

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;
}

上述代码依旧可以转换成功，结果不可控。

3.小结

梳理完C++新引进的四种类型转换符之后，想必大家在实践之中可以很好的运用好这些C++的类型转换。后续笔者还会继续深入的探讨有关C++之中类型系统相关的内容，欢迎大家多多指教。