static_cast, dynamic_cast与reinterpret_cast的区别

在C++中，static_cast, dynamic_cast和reinterpret_cast都可用于类型转换，它们在具体使用时有什么区别？此外，更为重要的是，为什么不推荐使用强制类型转换？

1. static_cast

static_cast是静态类型转换，“静态”一词是指在程序编译期间完成类型的转换，这应该是平时使用最多的类型转换。例如，将一个浮点数转化为整数，就可以使用static_cast:

float a = 10.5;
int b = static_cast<int>(a);

2. dynamic_cast

dynamic_cast是动态类型转换，“动态”一词是指在程序运行期间完成类型的转换，如果转换失败且转换的目标类型是指针，则返回一个空指针；如果转换失败且转换的目标类型是引用，则会抛出std::bad_cast异常。

动态类型转换与C++的多态有关，常用于基类与子类指针或引用的转换，且基类中至少要有一个虚函数。例如：

class Base { 
    virtual void f();
};

class Derived : public Base {
    void f() override;
};


Derived* ptr = new Derived();
Base* ptrBase = dynamic_cast(ptr);

当然，这个例子并没有很好地展示出dynamic_cast的功能，文章最后有一个例子展示了需要使用dynamic_cast的情形。

3. reinterpret_cast

reinterpret的意思是“重新解释”，它不会改变任何底层的数据，而是告诉编译器应该把当前数据当作哪种类型。例如，有一个指向整数的指针，你可以使用reinterpret_cast将其转化为一个指向浮点数的指针：

int a = 10;
float* ptrB = reinterpret_cast<float*>(&a);

转换完成后，没有任何数据被改变，只是ptrB之后会被编译器当作一个指向浮点数的指针，这种感觉有点像C语言中的union. 可以看出，这种转换更偏向底层，使用时一定要小心。

当然，既然存在这一转换，就一定有它的用处。例如，在OpenGL中，可以将一个指针传递到窗口：

class App {
    ...
};

App* app1 = new App();
glfwSetWindowUserPointer(app1);

函数glfwSetWindowUserPointer的参数是void*类型的指针，可以通过函数glfwGetWindowUserPointer获取这个指针，获取到的指针类型也是void*，但我们已经知道它必然是一个App*类型的指针，此时可以使用reinterpret_cast将其转换回来：

void* ptr = glfwGetWindowUserPointer();
App* app1 = reinterpret_cast(ptr);

4. 强制类型转换

C语言中，可以通过(T)x将x转换为类型T，C++中也支持这种写法，这种写法被称为强制类型转换。它有什么问题呢？请看下面这个例子：

 

我们首先定义类Human：

class Human {
protected:
    int mAge;  // 年龄

public:
    virtual void say() {
        std::cout << "I'm a human.\n";
    }
};

这个类表示人类，它有一个成员mAge，表示人类的年龄；还有一个虚函数say, 此函数会输出一句话。

 

接下来定义类Man, 这个类继承自Human类:

class Man : public Human {
public:
    Man(int age) {
        mAge = age;
    }

    void say() override {
        std::cout << "I'm a man.\n";
    }

    void howOld() {
        std::cout << "I'm " << mAge << " now.\n";
    }
};

这个类表示男人。其中，虚函数say被重载，此外还有一个成员函数howOld, 输出当前的年龄。

 

最后定义类Woman, 同样继承自Human类：

class Woman : public Human {
public:
    Woman(int age) {
        mAge = age;
    }

    void say() override {
        std::cout << "I'm a woman.\n";
    }
};

这个类表示女人。它只重载了虚函数say, 并没有提供howOld方法（因为女性的年龄不会轻易告诉别人）。

 

我们在main函数中创建一个指向Woman对象的指针，并尝试通过指针访问howOld方法：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    pWoman->howOld();
}

这段代码应当会报错，因为Woman类没有howOld方法。以下是博主使用g++编译时输出的报错信息：

error: 'class Woman' has no member named 'howOld'

 

但如果我们将指针pWoman强制转换为Man*类型的指针呢？代码如下：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    ((Man*)pWoman)->howOld();
}

令人诧异的是，这段代码可以正常运行，输出如下：

I'm 32 now.

使用强制类型转换后，竟然输出了女性的年龄，这真的是太糟糕了！

 

我们不妨使用static_cast转换试试：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    (static_cast(pWoman))->howOld();
}

这段代码会在编译时报错：

error: invalid 'static_cast' from type 'Woman*' to type 'Man*'

 

再使用dynamic_cast试试：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    (dynamic_cast(pWoman))->howOld();
}

代码可以编译成功，但运行时会出错，因为类型转换失败，dynamic_cast会返回一个空指针。对返回值加以判断，程序就可以正常运行了：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    auto pMan = dynamic_cast(pWoman);
    if (pMan) {
        pMan->howOld();
    }
    else {
        std::cout << "convert failed.\n";
    }
}

运行后，程序输出如下：

convert failed.

 

最后使用reinterpret_cast试试：

int main() {
    auto pWoman = new Woman(32);
    (reinterpret_cast(pWoman))->howOld();
}

编译后，程序输出如下：

I'm 32 now.

 

从这个例子中，可以看出不同类型转换方式的区别：强制类型转换会尝试不同类型的转换，有时会有潜在的bug. 将类型转换细分为不同种类，可以减少代码出错的可能。

最后，展示一个使用dynamic_cast的例子：

void howOldAreYou(Human* pHuman) {
    Man* pMan = dynamic_cast(pHuman);
    if (pMan) {
        pMan->howOld();
    }
    else {
        std::cout << "My age is a secret.\n";
    }
}


int main() {
    Man* p1 = new Man(23);
    Woman* p2 = new Woman(35);
    howOldAreYou(p1);
    howOldAreYou(p2);
}

程序输出为：

I'm 23 now.
My age is a secret.