一起聊聊C++中的四种类型转换符

2022-11-13 12:11:49 转换聊聊四种

一：背景

在玩 C 的时候，经常会用 void* 来指向一段内存地址开端，然后再将其强转成尺度更小的 char* 或 int* 来丈量一段内存，参考如下代码：

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

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

由于 C 的自由度比较大，想怎么玩就怎么玩，带来的弊端就是容易隐藏着一些不易发现的bug，归根到底还是程序员的功底不扎实，c++ 设计者觉得不能把程序员想的太厉害，应该要力所能及的帮助程序员避掉一些不必要的潜在 bug，并且还要尽最大努力的避免对性能有过多的伤害，所以就出现了 4 个强制类型转换运算符。

const_cast
reinterpret_cast
dynamic_cast
static_cast

既然 C++ 做了归类，必然就有其各自用途，接下来我们逐一和大家聊一下。

二：理解四大运算符

1. const_cast

这是四个运算符中最好理解的，玩过 C++ 的都知道，默认情况下是不能修改一个 const 变量，比如下面这样：

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

这段代码肯定是要报错的，那如果我一定要实现这个功能，如何做呢？这就需要用到 const_cast 去掉它的常量符号，然后对 i 进行操作即可，所以修改代码如下：

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

2. reinterpret_cast

从名字上看就是一个重新解释转换，很显然这个非常底层，如果大家玩过 windbg ，应该知道用 dt 命令可以将指定的内存地址按照某一个结构体丈量出来，比如说 C# 的 CLR 在触发 GC 时，会有 gc_mechanisms 结构，参考代码如下：

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

其实 reinterpret_cast 大概也是干这个事的，参考代码如下:

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

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

	//内存地址
	void* ptr = &point;

	//根据内存地址 丈量出  Point
	Point* ptr_point = reinterpret_cast<Point*>(ptr);

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

从代码看，我直接根据 ptr 地址丈量出了 Point 结构，说实话这个和 C 玩法就比较类似了。

3. dynamic_cast

在多态场景下，有时候会遇到这样的一个问题，一个父类有多个子类，我现在手拥一个父类，我不知道能不能将它转换为其中一个子类，要试探一下看看，那怎么去试探呢？类似 C# 中的 as 运算符，在 C++ 中就需要用 dynamic_cast 来做这件事情，参考如下：

//点
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);

	//将  p1 转成 子类 Triangle 会报错的
	Triangle* t1 = dynamic_cast<Triangle*>(p1);

	if (t1 == nullptr) {
		printf("p1 不能转成 Triangle");
	}
}

对，场景就是这个，p1 其实是 Rectangle 转上去的，这时候你肯定是不能将它向下转成 Triangle ，问题就在这里，很多时候你并不知道此时的 p1 是哪一个子类。

接下来的一个问题是，C++ 并不像C# 有元数据，那它是如何鉴别呢？其实这用了 RTTI 技术，哪里能看出来呢？哈哈，看汇编啦。

	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

从汇编可以看到编译器这是带夹私货了，在底层偷偷的调用了一个 ___RTDynamicCast 函数在运行时帮忙检测的，根据 cdcel 调用协定，参数是从右到左，恢复成代码大概是这样。

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

3. static_cast

从名字上就能看出，这个强转具有 static 语义，也就是 编译阶段 就生成好了，具体安全不安全，它就不管了，就拿上面的例子，将 dynamic_cast 改成 static_cast 看看有什么微妙的变化。

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);
}

我们发现居然转成功了，而且 Triangle 的值也是莫名奇怪，直接取了 Rectangle 的前三个值，如果这是生产代码，肯定要挨批了。。。

接下来简单看下汇编代码：

	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

从代码中看，它其实就是将 p1 的首地址给了 t1，然后依次把copy偏移值 +4,+8,+0C，除了转换这个，还可以做一些 int ，long ，double 之间的强转，当然也是一样，编译时汇编代码就已经生成好了。

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