static_cast<>揭密


作者：Sam NG

譯者： 小刀人

原文鏈接： What static_cast<> is actually doing?

本文討論static_cast<> 和 reinterpret_cast<>。

介紹
大多程序員在學C++前都學過C，并且習慣于C風格（類型）轉換。當寫C++（程序）時，有時候我們在使用static_cast<>和reinterpret_cast<>時可能會有點模糊。在本文中，我將說明static_cast<>實際上做了什么，并且指出一些將會導致錯誤的情況。

泛型（Generic Types）

??????? float f = 12.3;
??????? float* pf = &f;
??????? // static cast<>
??????? // 成功編譯, n = 12
??????? int n = static_cast<int>(f);
??????? // 錯誤,指向的類型是無關的（譯注：即指針變量pf是float類型，現在要被轉換為int類型）
??????? //int* pn = static_cast<int*>(pf);
??????? //成功編譯
??????? void* pv = static_cast<void*>(pf);
??????? //成功編譯, 但是 *pn2是無意義的內存（rubbish）
??????? int* pn2 = static_cast<int*>(pv);// reinterpret_cast<>
??????? //錯誤,編譯器知道你應該調用static_cast<>
??????? //int i = reinterpret_cast<int>(f);
??????? //成功編譯, 但是 *pn 實際上是無意義的內存,和 *pn2一樣
??????? int* pi = reinterpret_cast<int*>(pf);
簡而言之，static_cast<> 將嘗試轉換，舉例來說，如float-到-integer，而reinterpret_cast<>簡單改變編譯器的意圖重新考慮那個對象作為另一類型。

指針類型（Pointer Types）

指針轉換有點復雜，我們將在本文的剩余部分使用下面的類：

class CBaseX
????? {
????? public:
????? int x;
????? CBaseX() { x = 10; }
????? void foo() { printf("CBaseX::foo() x=%d\n", x); }
????? };
????? class CBaseY
??????? {
??????? public:
??????? int y;
??????? int* py;
??????? CBaseY() { y = 20; py = &y; }
??????? void bar() { printf("CBaseY::bar() y=%d, *py=%d\n", y, *py);
??????? }
??????? };class CDerived : public CBaseX, public CBaseY
??????? {
??????? public:
??????? int z;
??????? };
情況1：兩個無關的類之間的轉換

????? // Convert between CBaseX* and CBaseY*
????? // CBaseX* 和 CBaseY*之間的轉換
????? CBaseX* pX = new CBaseX();
????? // Error, types pointed to are unrelated
????? // 錯誤， 類型指向是無關的
????? // CBaseY* pY1 = static_cast<CBaseY*>(pX);
????? // Compile OK, but pY2 is not CBaseX
????? // 成功編譯, 但是 pY2 不是CBaseX
????? CBaseY* pY2 = reinterpret_cast<CBaseY*>(pX);
????? // System crash!!
????? // 系統崩潰!!
????? // pY2->bar();
正如我們在泛型例子中所認識到的，如果你嘗試轉換一個對象到另一個無關的類static_cast<>將失敗，而reinterpret_cast<>就總是成功“欺騙”編譯器：那個對象就是那個無關類。

情況2：轉換到相關的類

????? 1. CDerived* pD = new CDerived();
????? 2. printf("CDerived* pD = %x\n", (int)pD);
????? 3.
????? 4. // static_cast<> CDerived* -> CBaseY* -> CDerived*
????? //成功編譯，隱式static_cast<>轉換
????? 5. CBaseY* pY1 = pD;
????? 6. printf("CBaseY* pY1 = %x\n", (int)pY1);
????? // 成功編譯, 現在 pD1 = pD
????? 7. CDerived* pD1 = static_cast<CDerived*>(pY1);
????? 8. printf("CDerived* pD1 = %x\n", (int)pD1);
????? 9.
????? 10. // reinterpret_cast
????? // 成功編譯, 但是 pY2 不是 CBaseY*
????? 11. CBaseY* pY2 = reinterpret_cast<CBaseY*>(pD);
????? 12. printf("CBaseY* pY2 = %x\n", (int)pY2);
????? 13.
????? 14. // 無關的 static_cast<>
????? 15. CBaseY* pY3 = new CBaseY();
????? 16. printf("CBaseY* pY3 = %x\n", (int)pY3);
????? // 成功編譯,盡管 pY3 只是一個 "新 CBaseY()"
????? 17. CDerived* pD3 = static_cast<CDerived*>(pY3);
????? 18. printf("CDerived* pD3 = %x\n", (int)pD3);
????? ---------------------- 輸出 ---------------------------
????? CDerived* pD = 392fb8
????? CBaseY* pY1 = 392fbc
????? CDerived* pD1 = 392fb8
????? CBaseY* pY2 = 392fb8
????? CBaseY* pY3 = 390ff0
????? CDerived* pD3 = 390fec
注意：在將CDerived*用隱式 static_cast<>轉換到CBaseY*（第5行）時，結果是（指向）CDerived*（的指針向后） 偏移了4（個字節）（譯注：4為int類型在內存中所占字節數）。為了知道static_cast<> 實際如何，我們不得不要來看一下CDerived的內存布局。?

CDerived的內存布局（Memory Layout）



如圖所示，CDerived的內存布局包括兩個對象，CBaseX 和 CBaseY，編譯器也知道這一點。因此，當你將CDerived* 轉換到 CBaseY*時，它給指針添加4個字節，同時當你將CBaseY*轉換到CDerived*時，它給指針減去4。然而，甚至它即便不是一個CDerived你也可以這樣做。

當然，這個問題只在如果你做了多繼承時發生。在你將CDerived轉換 到 CBaseX時static_cast<> 和 reinterpret_cast<>是沒有區別的。

情況3：void*之間的向前和向后轉換

因為任何指針可以被轉換到void*，而void*可以被向后轉換到任何指針（對于static_cast<> 和 reinterpret_cast<>轉換都可以這樣做），如果沒有小心處理的話錯誤可能發生。

??????? CDerived* pD = new CDerived();
??????? printf("CDerived* pD = %x\n", (int)pD);
??????? CBaseY* pY = pD; // 成功編譯, pY = pD + 4
??????? printf("CBaseY* pY = %x\n", (int)pY);
??????? void* pV1 = pY; //成功編譯, pV1 = pY
??????? printf("void* pV1 = %x\n", (int)pV1);
??????? // pD2 = pY, 但是我們預期 pD2 = pY - 4
??????? CDerived* pD2 = static_cast<CDerived*>(pV1);
??????? printf("CDerived* pD2 = %x\n", (int)pD2);
??????? // 系統崩潰
??????? // pD2->bar();

??????? ---------------------- 輸出 ---------------------------
??????? CDerived* pD = 392fb8
??????? CBaseY* pY = 392fbc
??????? void* pV1 = 392fbc
??????? CDerived* pD2 = 392fbc

一旦我們已經轉換指針為void*，我們就不能輕易將其轉換回原類。在上面的例子中，從一個void* 返回CDerived*的唯一方法是將其轉換為CBaseY*然后再轉換為CDerived*。
但是如果我們不能確定它是CBaseY* 還是 CDerived*，這時我們不得不用dynamic_cast<> 或typeid[2]。

注釋：
1. dynamic_cast<>，從另一方面來說，可以防止一個泛型CBaseY* 被轉換到CDerived*。
2. dynamic_cast<>需要類成為多態，即包括“虛”函數，并因此而不能成為void*。
參考：
1. [MSDN] C++ Language Reference -- Casting
2. Nishant Sivakumar, Casting Basics - Use C++ casts in your VC++.NET programs
3. Juan Soulie, C++ Language Tutorial: Type Casting