C/C++类型转换

1. C类型转换

C 语言中的类型转换主要分为两种：

隐式类型转换 (Implicit Conversion) - 由编译器自动完成。
显式类型转换 (Explicit Conversion) - 由程序员强制指定，也称为强制类型转换。

1.2 隐式类型转换

编译器在编译时自动进行的转换，通常发生在不同数据类型的变量混合运算、赋值或函数调用时。

转换规则（通常遵循向上转换原则）：

c 复制代码

int -> unsigned int -> long -> unsigned long -> long long -> unsigned long long -> float -> double -> long double

常见发生的场景

c 复制代码

int i = 10;
float f = 3.14;
double d = i + f; // i 被自动转换为 float 参与运算，结果再转换为 double 赋值给 d

1.3 强制类型转换

当用户需要明确地 将一种数据类型转换为另一种时使用。它使用强制类型转换运算符，语法是在要转换的目标类型前加上括号，然后放在值或表达式前面。

常见发生的场景

c 复制代码

int a = 5, b = 2;
float result;
result = a / b;       // 错误：结果是 2.0 (整数除法)
result = (float)a / b; // 正确：结果是 2.5。将 a 转为 float，b 也会被隐式转换为 float

将 void 指针转换为具体类型指针：

c 复制代码

void* generic_ptr;
int* int_ptr;
int x = 10;

generic_ptr = &x;          // 合法：任何指针都可以赋值给 void*
// *generic_ptr;           // 错误：不能对 void* 解引用
int_ptr = (int*)generic_ptr; // 必须强制转换回 int*
printf("%d\n", *int_ptr);    // 输出 10

注意： 在 C 语言中，从 void* 转换到其他指针类型必须使用强制转换，而在 C++ 中 static_cast 可以完成这个工作，并且从 void* 到其他指针类型的隐式转换在 C++ 中是非法的。

2. C++中的类型转换

2.1 隐式类型转换

C++支持内置类型向自定义类型之间的转换，内置类型转换为自定义类型需要构造函数的支持。
C++支持自定义类型转换为内置类型，通过运算符重载 operator type () 的函数支持。
C++支持自定义类型向自定义类型之间的转换，需要对应类型的构造函数支持。

2.1.1 内置类型 -> 自定义类型（通过构造函数）

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Meter {
private:
    double value;
public:
    // 关键：接收单一参数的构造函数
    // 定义了从 double -> Meter 的转换规则
    Meter(double val) : value(val) {
        std::cout << "构造函数被调用，将 double " << val << " 转换为 Meter" << std::endl;
    }
};

int main() {

    Meter m1 = 5.7;     // 隐式转换：double -> Meter

    return 0;
}

注意： 使用 explicit 关键字可以禁止隐式转换，只允许显式转换。

2.1.2 自定义类型 -> 内置类型（通过转换函数）

通过在类中定义 operator type() 成员函数，可以实现从自定义类型到内置类型的转换。

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Meter {
private:
    double value;
public:
    Meter(double val) : value(val) {}

    // 转换函数：Meter -> double
    operator double() const {
        std::cout << "转换函数被调用，将 Meter 转换为 double: " << value << std::endl;
        return value;
    }
};

int main() {

    Meter m(5.7);

    // 自定义类型 -> 内置类型
    double length_in_double = m;  // 隐式调用 operator double()
    std::cout << "转换为 double 的值: " << length_in_double << std::endl;

    return 0;
}

通过operator bool()函数，可以将自定义类型当作判断条件。

2.1.3 自定义类型 -> 自定义类型（通过构造函数或转换函数）

cpp 复制代码

#include <iostream>

class Kilometer; // 前向声明

class Meter {
private:
    double value;
public:
    Meter(double val) : value(val) {}
    double getValue() const { return value; }

    // 也可以定义到 Kilometer 的转换函数
    // operator Kilometer() const;
};

class Kilometer {
private:
    double value;
public:
    Kilometer(double val) : value(val) {}

    // 关键：定义接收 Meter 参数的构造函数
    // 提供了 Meter -> Kilometer 的转换路径
    Kilometer(const Meter& m) : value(m.getValue() / 1000.0) {
        std::cout << "Kilometer 构造函数：将 Meter 转换为 Kilometer" << std::endl;
    }

    void display() const {
        std::cout << value << " kilometers" << std::endl;
    }
};

// Meter 中转换函数的实现
// Meter::operator Kilometer() const {
//     return Kilometer(value / 1000.0);
// }

int main() {
    Meter m(1500.0); 

    // 自定义类型 -> 自定义类型
    Kilometer km = m; // 隐式转换：Meter -> Kilometer
    km.display();     // 输出: 1.5 kilometers

    return 0;
}

对于转换函数，也可以使用 explicit 关键字来禁止隐式转换：

cpp 复制代码

explicit operator double() const {
    return value;
}

Meter m(5.7);
double d1 = m;          // 错误：不能隐式转换
double d2 = static_cast<double>(m); // 正确：显式转换

2.2 显示类型转换

2.2.1 static_cast

静态转换：最常用的显式转换，用于在编译期进行有明确关联的安全转换。

场景：

基本数据类型之间的转换
void 指针与具体类型指针之间的转换
类层次结构中的上行转换（派生类→基类）

cpp 复制代码

int i = 10;
double d = static_cast<double>(i); // int -> double

void* voidPtr = &i;
int* intPtr = static_cast<int*>(voidPtr); // void* -> int*

2.2.2 reinterpret_cast

reinterpret_cast 用于在两种不相关类型之间进行转换，其本质是对原始数据的底层位模式进行重新解释，也就是说转换后对原有内存的访问解释已经完全改变了。

场景：

任意指针类型之间的转换
指针和整数之间的转换

cpp 复制代码

int i = 0x12345678;
char* p1 = reinterpret_cast<char*>(a);

2.2.3 const_cast

const_cast⽤于const类型到⾮const类型的转换，去掉了const属性。

cpp 复制代码

void oldFunction(char* str) {
    cout << str << endl;
}

const char* message = "Hello";

// oldFunction(message); // 错误：不能将 const char* 转换为 char*
oldFunction(const_cast<char*>(message)); // 正确

// 危险示例！
const int ci = 10;
int* badPtr = const_cast<int*>(&ci);
*badPtr = 20; // 未定义行为！

2.2.4 dynamic_cast

dynamic_cast⽤于将基类的指针或者引⽤安全的转换成派⽣类的指针或者引⽤。如果基类的指针或者引⽤时指向派⽣类对象的，则转换回派⽣类指针或者引⽤时可以成功的，如果基类的指针指向基类对象，则转换失败返回nullptr，如果基类引⽤指向基类对象，则转换失败，抛出bad_cast异常。
其次dynamic_cast要求基类必须是多态类型，也就是基类中必须有虚函数。因为dynamic_cast是运⾏时通过虚表中存储的type_info判断基类指针指向的是基类对象还是派⽣类对象。

场景：

安全的下行转换（基类→派生类）

要求：

基类必须有虚函数（多态类型）

cpp 复制代码

class Base { virtual void foo() {} };
class Derived : public Base {};

Base* basePtr1 = new Derived(); // 实际指向 Derived
Base* basePtr2 = new Base();    // 实际指向 Base

// 安全的下行转换
Derived* d1 = dynamic_cast<Derived*>(basePtr1); // 成功
Derived* d2 = dynamic_cast<Derived*>(basePtr2); // 失败，返回 nullptr

if (d2) {
    // 安全操作
} else {
    cout << "转换失败！" << endl;
}

// 引用转换（失败会抛出异常）
try {
    Derived& rd = dynamic_cast<Derived&>(*basePtr2);
} catch (const std::bad_cast& e) {
    cout << "引用转换失败" << endl;
}

dynamic_cast 的实现基础是 RTTI（运行时类型信息）。编译器会为每个包含虚函数的类生成额外的类型信息，这些信息在程序运行时可用。
什么是RTTI？
- RTTI 是 C++ 提供的一种机制，允许程序在运行时获取和操作对象的类型信息。它让程序能够动态地确定对象的实际类型，即使是通过基类指针或引用来操作对象。
- typeid运算符：用于获取对象的类型信息，返回一个 std::type_info 对象的引用。
- dynamic_cast：用于在继承层次中进行安全的类型转换，依赖于 RTTI 信息。

注意：C/C++都不是类型安全的语言。