一起聊聊C++中的四種型別轉換符

2022-07-15 18:02:16

一：背景

在玩 C 的時候，經常會用 void* 來指向一段記憶體地址開端，然後再將其強轉成尺度更小的 char* 或 int* 來丈量一段記憶體，參考如下程式碼：

int main()
{
	void* ptr = malloc(sizeof(int) * 10);

	int* int_ptr = (int*)ptr;
	char* char_ptr = (char*)ptr;
}

由於 C 的自由度比較大，想怎麼玩就怎麼玩，帶來的弊端就是容易隱藏著一些不易發現的bug，歸根到底還是程式設計師的功底不紮實，C++ 設計者覺得不能把程式設計師想的太厲害，應該要力所能及的幫助程式設計師避掉一些不必要的潛在 bug，並且還要盡最大努力的避免對效能有過多的傷害，所以就出現了 4 個強制型別轉換運運算元。

const_cast
reinterpret_cast
dynamic_cast
static_cast

既然 C++ 做了歸類，必然就有其各自用途，接下來我們逐一和大家聊一下。

二：理解四大運運算元

1. const_cast

這是四個運運算元中最好理解的，玩過 C++ 的都知道，預設情況下是不能修改一個 const 變數，比如下面這樣：

int main()
{
	const int i = 10;
	i = 12;
}

這段程式碼肯定是要報錯的，那如果我一定要實現這個功能，如何做呢？這就需要用到 const_cast 去掉它的常數符號，然後對 i 進行操作即可，所以修改程式碼如下：

int main()
{
	const int i = 10;
	auto j = const_cast<int*>(&i);
	*(j) = 12;
}

2. reinterpret_cast

從名字上看就是一個重新解釋轉換，很顯然這個非常底層，如果大家玩過 windbg ，應該知道用 dt 命令可以將指定的記憶體地址按照某一個結構體丈量出來，比如說 C# 的 CLR 在觸發 GC 時，會有 gc_mechanisms 結構，參考程式碼如下：

0:000> dt WKS::gc_mechanisms 0x7ffb6ba96e60
coreclr!WKS::gc_mechanisms
   +0x000 gc_index         : 1
   +0x008 condemned_generation : 0n0
   +0x00c promotion        : 0n0
   +0x010 compaction       : 0n1
   +0x014 loh_compaction   : 0n0
   +0x018 heap_expansion   : 0n0
   +0x01c concurrent       : 0
   +0x020 demotion         : 0n0
   +0x024 card_bundles     : 0n1
   +0x028 gen0_reduction_count : 0n0
   +0x02c should_lock_elevation : 0n0
   +0x030 elevation_locked_count : 0n0
   +0x034 elevation_reduced : 0n0
   +0x038 minimal_gc       : 0n0
   +0x03c reason           : 0 ( reason_alloc_soh )
   +0x040 pause_mode       : 1 ( pause_interactive )
   +0x044 found_finalizers : 0n0
   +0x048 background_p     : 0n0
   +0x04c b_state          : 0 ( bgc_not_in_process )
   +0x050 allocations_allowed : 0n1
   +0x054 stress_induced   : 0n0
   +0x058 entry_memory_load : 0
   +0x05c exit_memory_load : 0

其實 reinterpret_cast 大概也是幹這個事的，參考程式碼如下:

typedef struct _Point {
	int x;
	int y;
} Point;

int main()
{
	Point point = { 10,11 };

	//記憶體地址
	void* ptr = &point;

	//根據記憶體地址 丈量出  Point
	Point* ptr_point = reinterpret_cast<Point*>(ptr);

	printf("x=%d", ptr_point->x);
}

從程式碼看，我直接根據 ptr 地址丈量出了 Point 結構，說實話這個和 C 玩法就比較類似了。

3. dynamic_cast

在多型場景下，有時候會遇到這樣的一個問題，一個父類別有多個子類，我現在手擁一個父類別，我不知道能不能將它轉換為其中一個子類，要試探一下看看，那怎麼去試探呢？類似 C# 中的 as 運運算元，在 C++ 中就需要用 dynamic_cast 來做這件事情，參考如下：

//點
class Point {
public:
	Point(int x, int y) :x(x), y(y) {}
	virtual void show() {}
public:
	int x;
	int y;
};

//矩形
class Rectangle :public Point {
public:
	Rectangle(int x, int y, int w, int h) : Point(x, y), w(w), h(h) {}
public:
	int w;
	int h;
};

//三角形
class Triangle :public Point {
public:
	Triangle(int x, int y, int z) :Point(x, y), z(z) {}
public:
	int z;
};

int main()
{
	Point* p1 = new Rectangle(10, 20, 100, 200);
	Point* p2 = new Triangle(4, 5, 6);

	//將  p1 轉成 子類 Triangle 會報錯的
	Triangle* t1 = dynamic_cast<Triangle*>(p1);

	if (t1 == nullptr) {
		printf("p1 不能轉成 Triangle");
	}
}

對，場景就是這個，p1 其實是 Rectangle 轉上去的，這時候你肯定是不能將它向下轉成 Triangle ，問題就在這裡，很多時候你並不知道此時的 p1 是哪一個子類。

接下來的一個問題是，C++ 並不像C# 有後設資料，那它是如何鑑別呢？其實這用了 RTTI 技術，哪裡能看出來呢？哈哈，看組合啦。

	Triangle* t1 = dynamic_cast<Triangle*>(p1);
00831D57  push        0  
00831D59  push        offset Triangle `RTTI Type Descriptor' (083C150h)  
00831D5E  push        offset Point `RTTI Type Descriptor' (083C138h)  
00831D63  push        0  
00831D65  mov         eax,dword ptr [p1]  
00831D68  push        eax  
00831D69  call        ___RTDynamicCast (083104Bh)  
00831D6E  add         esp,14h  
00831D71  mov         dword ptr [t1],eax

從組合可以看到編譯器這是帶夾私貨了，在底層偷偷的呼叫了一個 ___RTDynamicCast 函數在執行時幫忙檢測的，根據 cdcel 呼叫協定，引數是從右到左，恢復成程式碼大概是這樣。

___RTDynamicCast(&p1, 0, &Point, &Triangle,0)

3. static_cast

從名字上就能看出，這個強轉具有 static 語意，也就是 編譯階段 就生成好了，具體安全不安全，它就不管了，就拿上面的例子，將 dynamic_cast 改成 static_cast 看看有什麼微妙的變化。

int main()
{
	Point* p1 = new Rectangle(10, 20, 100, 200);
	Point* p2 = new Triangle(4, 5, 6);

	Triangle* t1 = static_cast<Triangle*>(p1);

	printf("x=%d, y=%d,z=%d", t1->x, t1->y, t1->z);
}

我們發現居然轉成功了，而且 Triangle 的值也是莫名奇怪，直接取了 Rectangle 的前三個值，如果這是生產程式碼，肯定要挨批了。。。

接下來簡單看下組合程式碼：

	Triangle* t1 = static_cast<Triangle*>(p1);
00DF5B17  mov         eax,dword ptr [p1]  
00DF5B1A  mov         dword ptr [t1],eax  

	printf("x=%d, y=%d,z=%d", t1->x, t1->y, t1->z);
00DF5B1D  mov         eax,dword ptr [t1]  
00DF5B20  mov         ecx,dword ptr [eax+0Ch]  
00DF5B23  push        ecx  
00DF5B24  mov         edx,dword ptr [t1]  
00DF5B27  mov         eax,dword ptr [edx+8]  
00DF5B2A  push        eax  
00DF5B2B  mov         ecx,dword ptr [t1]  
00DF5B2E  mov         edx,dword ptr [ecx+4]  
00DF5B31  push        edx  
00DF5B32  push        offset string "x=%d, y=%d,z=%d" (0DF8C80h)  
00DF5B37  call        _printf (0DF145Bh)  
00DF5B3C  add         esp,10h

從程式碼中看，它其實就是將 p1 的首地址給了 t1，然後依次把copy偏移值 +4,+8,+0C，除了轉換這個，還可以做一些 int ，long ，double 之間的強轉，當然也是一樣，編譯時組合程式碼就已經生成好了。

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