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C++中static_cast和dynamic_cast强制类型转换

在C++标准中,提供了关于类型层次转换中的两个关键字static_cast和dynamic_cast。

一、static_cast关键字(编译时类型检查)

用法:static_cast < type-id > ( expression ),该运算符把expression转换为type-id类型,但没有运行时类型检查来保证转换的安全性,它主要有如下几种用法:

(1)用于基本数据类型之间的转换,如把int转换为char,把int转换成enum,但这种转换的安全性需要开发者自己保证(这可以理解为保证数据的精度,即程序员能不能保证自己想要的程序安全),如在把int转换为char时,如果char没有足够的比特位来存放int的值(int>127或int<-127时),那么static_cast所做的只是简单的截断,及简单地把int的低8位复制到char的8位中,并直接抛弃高位。

(2)把空指针转换成目标类型的空指针

(3)把任何类型的表达式类型转换成void类型

(4)用于类层次结构中父类和子类之间指针和引用的转换。

对于以上第(4)点,存在两种形式的转换,即上行转换(子类到父类)和下行转换(父类到子类)。对于static_cast,上行转换时安全的,而下行转换时不安全的,为什么呢?因为static_cast的转换时粗暴的,它仅根据类型转换语句中提供的信息(尖括号中的类型)来进行转换,这种转换方式对于上行转换,由于子类总是包含父类的所有数据成员和函数成员,因此从子类转换到父类的指针对象可以没有任何顾虑的访问其(指父类)的成员。而对于下行转换为什么不安全,是因为static_cast只是在编译时进行类型坚持,没有运行时的类型检查,具体原理在dynamic_cast中说明。

二、dynamic_cast关键字(运行时类型检查)

(作为四个内部类型转换操作符之一的dynamic_cast和传统的C风格的强制类型转换有着巨大的差别。除了dynamic_cast以外的转换,其行为的都是在编译期就得以确定的,转换是否成功,并不依赖被转换的对象。而dynamic_cast则不然。在这里,不再讨论其他三种转换和C风格的转换。
首先,dynamic_cast依赖于RTTI信息,其次,在转换时,dynamic_cast会检查转换的source对象是否真的可以转换成target类型,这种检查不是语法上的,而是真实情况的检查。
先看RTTI相关部分,通常,许多编译器都是通过vtable找到对象的RTTI信息的,这也就意味着,如果基类没有虚方法,也就无法判断一个基类指针变量所指对象的真实类型, 这时候,dynamic_cast只能用来做安全的转换,例如从派生类指针转换成基类指针.而这种转换其实并不需要dynamic_cast参与.
也就是说,dynamic_cast是根据RTTI记载的信息来判断类型转换是否合法的.)

用法:同static_cast

dynamic_cast主要用于类层次结构中父类和子类之间指针和引用的转换,由于具有运行时类型检查,因此可以保证下行转换的安全性,何为安全性?即转换成功就返回转换后的正确类型指针,如果转换失败,则返回NULL,之所以说static_cast在下行转换时不安全,是因为即使转换失败,它也不返回NULL。

对于上行转换,dynamic_cast和static_cast是一样的。

对于下行转换,说到下行转换,有一点需要了解的是在C++中,一般是可以用父类指针指向一个子类对象,如parent* P1 = new Children(); 但这个指针只能访问父类定义的数据成员和函数,这是C++中的静态联翩,但一般不定义指向父类对象的子类类型指针,如Children* P1 = new parent;这种定义方法不符合生活习惯,在程序设计上也很麻烦。这就解释了也说明了,在上行转换中,static_cast和dynamic_cast效果是一样的,而且都比较安全,因为向上转换的对象一般是指向子类对象的子类类型指针;而在下行转换中,由于可以定义就不同了指向子类对象的父类类型指针,同时static_cast只在编译时进行类型检查,而dynamic_cast是运行时类型检查,则需要视情况而定。下面通过代码进行说明

class Base
{
    virtual void fun(){}
};

class Derived:public Base
{
};

由于需要进行向下转换,因此需要定义一个父类类型的指针Base *P,但是由于子类继承与父类,父类指针可以指向父类对象,也可以指向子类对象,这就是重点所在。如果 P指向的确实是子类对象,则dynamic_cast和static_cast都可以转换成功,如下所示:

Base *P = new Derived();
Derived *pd1 = static_cast<Derived *>(P);
Derived *pd2 = dynamic_cast<Derived *>(P);

以上转换都能成功。

 

但是,如果 P 指向的不是子类对象,而是父类对象,如下所示:

Base *P = new Base;
Derived *pd3 = static_cast<Derived *>(P);
Derived *pd4 = dynamic_cast<Derived *>(P);

在以上转换中,static_cast转换在编译时不会报错,也可以返回一个子类对象指针(假想),但是这样是不安全的,在运行时可能会有问题,因为子类中包含父类中没有的数据和函数成员,这里需要理解转换的字面意思,转换是什么?转换就是把对象从一种类型转换到另一种类型,如果这时用 pd3 去访问子类中有但父类中没有的成员,就会出现访问越界的错误,导致程序崩溃。而dynamic_cast由于具有运行时类型检查功能,它能检查P的类型,由于上述转换是不合理的,所以它返回NULL。

 

三、总结

C++中层次类型转换中无非两种:上行转换和下行转换

对于上行转换,static_cast和dynamic_cast效果一样,都安全;

对于下行转换:你必须确定要转换的数据确实是目标类型的数据,即需要注意要转换的父类类型指针是否真的指向子类对象,如果是,static_cast和dynamic_cast都能成功;如果不是static_cast能返回,但是不安全,可能会出现访问越界错误,而dynamic_cast在运行时类型检查过程中,判定该过程不能转换,返回NULL。

注:

虚函数对于dynamic_cast转换的作用

  为何使用dynamic_cast转换类指针时,需要虚函数呢。

Dynamic_cast转换是在运行时进行转换,运行时转换就需要知道类对象的信息(继承关系等)。

如何在运行时获取到这个信息——虚函数表。

  C++对象模型中,对象实例最前面的就是虚函数表指针,

通过这个指针可以获取到该类对象的所有虚函数,包括父类的。

因为派生类会继承基类的虚函数表,所以通过这个虚函数表,我们就可以知道该类对象的父类,在转换的时候就可以用来判断对象有无继承关系。

  所以虚函数对于正确的基类指针转换为子类指针是非常重要的。

C++中static_cast和dynamic_cast强制类型转换