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深入解析C++中的动态类型转换与静态类型转换运算符

时间：2021-05-02 08:18:58 | 栏目：C代码 | 点击：次

dynamic_cast 运算符
将操作数 expression 转换成类型为type-id 的对象。
语法

dynamic_cast < type-id > ( expression )

备注
type-id 必须是一个指针或引用到以前已定义的类类型的引用或“指向 void 的指针”。如果 type-id 是指针，则expression 的类型必须是指针，如果 type-id 是引用，则为左值。
有关静态和动态强制转换之间区别的描述，以及各在什么情况下适合使用，请参见 static_cast。
在托管代码中的 dynamic_cast的行为中有两个重大更改。
为指针的dynamic_cast 对指向装箱的枚举的基础类型的指针将在运行时失败，则返回 0 而不是已转换的指针。
dynamic_cast 将不再引发一个异常，当 type-id 是指向值类型的内部指针，则转换在运行时失败。该转换将返回 0 指示运行值而不是引发。
如果 type-id 是指向 expression的明确的可访问的直接或间接基类的指针，则结果是指向 type-id 类型的唯一子对象的指针。例如：

// dynamic_cast_1.cpp
// compile with: /c
class B { };
class C : public B { };
class D : public C { };

void f(D* pd) {
  C* pc = dynamic_cast<C*>(pd);  // ok: C is a direct base class
                  // pc points to C subobject of pd 
  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);  // ok: B is an indirect base class
                  // pb points to B subobject of pd
}

此转换类型称为“向上转换”，因为它将在类层次结构上的指针，从派生的类移到该类派生的类。向上转换是一种隐式转换。
如果 type-id 为 void*，则做运行时进行检查确定 expression的实际类型。结果是指向 by expression 的完整的对象的指针。例如：

// dynamic_cast_2.cpp
// compile with: /c /GR
class A {virtual void f();};
class B {virtual void f();};

void f() {
  A* pa = new A;
  B* pb = new B;
  void* pv = dynamic_cast<void*>(pa);
  // pv now points to an object of type A

  pv = dynamic_cast<void*>(pb);
  // pv now points to an object of type B
}

如果 type-id 不是 void*，则做运行时进行检查以确定是否由 expression 指向的对象可以转换为由 type-id指向的类型。
如果 expression 类型是 type-id类型的基类，则做运行时检查来看是否 expression 确实指向 type-id类型的完整对象。如果为 true，则结果是指向 type-id类型的完整对象的指针。例如：

// dynamic_cast_3.cpp
// compile with: /c /GR
class B {virtual void f();};
class D : public B {virtual void f();};

void f() {
  B* pb = new D;  // unclear but ok
  B* pb2 = new B;

  D* pd = dynamic_cast<D*>(pb);  // ok: pb actually points to a D
  D* pd2 = dynamic_cast<D*>(pb2);  // pb2 points to a B not a D
}

此转换类型称为“向下转换”，因为它将在类层次结构下的指针，从给定的类移到该类派生的类。
对于多重继承，引入多义性的可能性。考虑下图中显示的类层次结构。
对于 CLR 类型，如果转换可以隐式执行，则 dynamic_cast 结果为 no-op，如果转换失败，则 MSIL isinst 指令将执行动态检查并返回 nullptr。
以下示例使用 dynamic_cast 以确定一个类是否为特殊类型的实例：

// dynamic_cast_clr.cpp
// compile with: /clr
using namespace System;

void PrintObjectType( Object^o ) {
  if( dynamic_cast<String^>(o) )
   Console::WriteLine("Object is a String");
  else if( dynamic_cast<int^>(o) )
   Console::WriteLine("Object is an int");
}

int main() {
  Object^o1 = "hello";
  Object^o2 = 10;

  PrintObjectType(o1);
  PrintObjectType(o2);
}

显示多重继承的类层次结构
显示多继承的类层次结构
指向类型 D 对象的指针可以安全地强制转换为 B 或 C。但是，如果 D 强制转换为指向 A 对象的指针，会导致 A 的哪个实例？这将导致不明确的强制转换错误。若要避免此问题，可以执行两个明确的转换。例如：

// dynamic_cast_4.cpp
// compile with: /c /GR
class A {virtual void f();};
class B {virtual void f();};
class D : public B {virtual void f();};

void f() {
  D* pd = new D;
  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);  // first cast to B
  A* pa2 = dynamic_cast<A*>(pb);  // ok: unambiguous
}

当使用虚拟基类时，其他多义性问题会被引入。考虑下图中显示的类层次结构。

2016115151645156.jpeg (221×54)

显示虚拟基类的类层次结构
在此层次结构中，A 是虚拟基类。对于虚拟基类的定义。给定一个 E 类实例和一个指向 A 子对象的指针，指向 B 指针的 dynamic_cast 将失败于多义性。必须先将强制转换回完整 E 对象，然后以明确的方式反向沿层次结构，到达正确的 B 对象。
考虑下图中显示的类层次结构。

2016115151749363.jpeg (339×60)

给定一个 E 类型的对象和一个指向 D 子对象的指针，从 D 子对象定位到最左侧的 A 子对象，可进行三个转换。可以从 D 指针到 E 指针执行 dynamic_cast 转换，然后从 E 到 B 执行转换（dynamic_cast 或隐式转换），最后从 B 到 A 执行隐式转换。例如：

// dynamic_cast_5.cpp
// compile with: /c /GR
class A {virtual void f();};
class B : public A {virtual void f();};
class C : public A { };
class D {virtual void f();};
class E : public B, public C, public D {virtual void f();};

void f(D* pd) {
  E* pe = dynamic_cast<E*>(pd);
  B* pb = pe;  // upcast, implicit conversion
  A* pa = pb;  // upcast, implicit conversion
}

dynamic_cast 运算符还可以使用执行 “相互转换”。使用同一个类层次结构可能进行指针转换，例如： 从B 子对象转换到D子对象（只要整个对象是类转换型E。
考虑相互转换，实际上从指针转换到 D 到指针到最左侧的 A 子对象只要两个步骤。可以从 D 到 B 执行相互转换，然后从 B 到 A 执行隐式转换。例如：

// dynamic_cast_6.cpp
// compile with: /c /GR
class A {virtual void f();};
class B : public A {virtual void f();};
class C : public A { };
class D {virtual void f();};
class E : public B, public C, public D {virtual void f();};

void f(D* pd) {
  B* pb = dynamic_cast<B*>(pd);  // cross cast
  A* pa = pb;  // upcast, implicit conversion
}

通过 dynamic_cast 将 null 指针值转换到目标类型的 null 指针值。
当您使用 dynamic_cast < type-id > ( expression )时，如果expression无法安全地转换成类型 type-id，则运行时检查会引起变换失败。例如：

// dynamic_cast_7.cpp
// compile with: /c /GR
class A {virtual void f();};
class B {virtual void f();};

void f() {
  A* pa = new A;
  B* pb = dynamic_cast<B*>(pa);  // fails at runtime, not safe;
  // B not derived from A
}

指针类型的非限定转换的值是 null 指针。引用类型的非限定转换会引发 bad_cast 异常。   如果 expression 不指向也不引用有效的对象，则__non_rtti_object 异常引发。
有关异常 __non_rtti_object 的解释，请参见 typeid。
以下示例创建基类（结构 A）指针，为一个对象（结构 C）。这以及在该情况是虚函数，启用运行时多态性。
该示例也在层次结构中调用非虚函数。

// dynamic_cast_8.cpp
// compile with: /GR /EHsc
#include <stdio.h>
#include <iostream>

struct A {
  virtual void test() {
    printf_s("in A\n");
  }
};

struct B : A {
  virtual void test() {
    printf_s("in B\n");
  }

  void test2() {
    printf_s("test2 in B\n");
  }
};

struct C : B {
  virtual void test() {
    printf_s("in C\n");
  }

  void test2() {
    printf_s("test2 in C\n");
  }
};

void Globaltest(A& a) {
  try {
    C &c = dynamic_cast<C&>(a);
    printf_s("in GlobalTest\n");
  }
  catch(std::bad_cast) {
    printf_s("Can't cast to C\n");
  }
}

int main() {
  A *pa = new C;
  A *pa2 = new B;

  pa->test();

  B * pb = dynamic_cast<B *>(pa);
  if (pb)
    pb->test2();

  C * pc = dynamic_cast<C *>(pa2);
  if (pc)
    pc->test2();

  C ConStack;
  Globaltest(ConStack);

  // will fail because B knows nothing about C
  B BonStack;
  Globaltest(BonStack);
}

输出：

in C
test2 in B
in GlobalTest

static_cast 运算符
仅根据表达式中存在的类型，将 expression 转换为 type-id, 类型。
语法

static_cast <type-id> ( expression )

备注
在标准 C++ 中，不进行运行时类型检查来帮助确保转换的安全。在 C++/CX 中，将执行编译时和运行时检查。
static_cast 运算符可用于将指向基类的指针转换为指向派生类的指针等操作。此类转换并非始终安全。
通常使用 static_cast 转换数值数据类型，例如将枚举型转换为整型或将整型转换为浮点型，而且你能确定参与转换的数据类型。 static_cast 转换安全性不如 dynamic_cast 转换，因为 static_cast 不执行运行时类型检查，而 dynamic_cast 执行该检查。对不明确的指针的 dynamic_cast 将失败，而 static_cast 的返回结果看似没有问题，这是危险的。尽管 dynamic_cast 转换更加安全，但是 dynamic_cast 只适用于指针或引用，而且运行时类型检查也是一项开销。
在下面的示例中，因为 D 可能有不在 B 内的字段和方法，所以行 D* pd2 = static_cast<D*>(pb); 不安全。但是，因为 D 始终包含所有 B，所以行 B* pb2 = static_cast<B*>(pd); 是安全的转换。

// static_cast_Operator.cpp
// compile with: /LD
class B {};

class D : public B {};

void f(B* pb, D* pd) {
  D* pd2 = static_cast<D*>(pb);  // Not safe, D can have fields
                  // and methods that are not in B.

  B* pb2 = static_cast<B*>(pd);  // Safe conversion, D always
                  // contains all of B.
}

与 dynamic_cast 不同，pb 的 static_cast 转换不执行运行时检查。由 pb 指向的对象可能不是 D 类型的对象，在这种情况下使用 *pd2 会是灾难性的。例如，调用 D 类（而非 B 类）的成员函数可能会导致访问冲突。
dynamic_cast 和 static_cast 运算符可以在整个类层次结构中移动指针。然而，static_cast 完全依赖于转换语句提供的信息，因此可能不安全。例如：

// static_cast_Operator_2.cpp
// compile with: /LD /GR
class B {
public:
  virtual void Test(){}
};
class D : public B {};

void f(B* pb) {
  D* pd1 = dynamic_cast<D*>(pb);
  D* pd2 = static_cast<D*>(pb);
}

如果 pb 确实指向 D 类型的对象，则 pd1 和 pd2 将获取相同的值。如果 pb == 0，它们也将获取相同的值。
如果 pb 指向 B 类型的对象，而非指向完整的 D 类，则 dynamic_cast 足以判断返回零。但是，static_cast 依赖于程序员的断言，即 pb 指向 D 类型的对象，因而只是返回指向那个假定的 D 对象的指针。
因此，static_cast 可以反向执行隐式转换，而在这种情况下结果是不确定的。这需要程序员来验证 static_cast 转换的结果是否安全。
该行为也适用于类以外的类型。例如，static_cast 可用于将 int 转换为 char。但是，得到的 char 可能没有足够的位来保存整个 int 值。同样，这需要程序员来验证 static_cast 转换的结果是否安全。
static_cast 运算符还可用于执行任何隐式转换，包括标准转换和用户定义的转换。例如：

// static_cast_Operator_3.cpp
// compile with: /LD /GR
typedef unsigned char BYTE;

void f() {
  char ch;
  int i = 65;
  float f = 2.5;
  double dbl;

  ch = static_cast<char>(i);  // int to char
  dbl = static_cast<double>(f);  // float to double
  i = static_cast<BYTE>(ch);
}

static_cast 运算符可以将整数值显式转换为枚举类型。如果整型值不在枚举值的范围内，生成的枚举值是不确定的。
static_cast 运算符将 null 指针值转换为目标类型的 null 指针值。
任何表达式都可以通过 static_cast 运算符显式转换为 void 类型。目标 void 类型可以选择性地包含 const、volatile 或 __unaligned 特性。
static_cast 运算符无法转换掉 const、volatile 或 __unaligned 特性。

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