C++四种强制类型转换：static_cast，dynamic_cast，const_cast，reinterpret_cast

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static_cast用于编译时相关的类型转换，dynamic_cast用于运行时多态类的安全向下转换，const_cast用于移除或添加const/volatile属性，而reinterpret_cast则用于低级别的位模式重新解释。

static_cast - 静态类型转换

用途

  • 相关类型间的合理转换
  • 编译时检查

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// 基础类型转换
double d = 3.14;
int i = static_cast<int>(d);  // 3

// 类层次转换（向上转换）
class Base {};
class Derived : public Base {};
Derived derived;
Base* base = static_cast<Base*>(&derived);  // 安全

// 向下转换（不安全！）
Base* base_ptr = new Derived();
Derived* derived_ptr = static_cast<Derived*>(base_ptr);  // 危险！

特点

  • 编译时完成
  • 不进行运行时检查
  • 相对安全（在合理范围内）

dynamic_cast - 动态类型转换

用途

  • 多态类型的安全向下转换
  • 运行时类型检查

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class Base { virtual ~Base() {} };  // 必须有虚函数
class Derived : public Base {};

Base* base_ptr = new Derived();

// 安全向下转换
Derived* derived_ptr = dynamic_cast<Derived*>(base_ptr);
if (derived_ptr) {
    // 转换成功
} else {
    // 转换失败，返回 nullptr
}

// 引用转换（失败时抛出 std::bad_cast）
try {
    Derived& derived_ref = dynamic_cast<Derived&>(*base_ptr);
} catch (std::bad_cast& e) {
    // 处理转换失败
}

特点

  • 运行时检查
  • 需要 RTTI（运行时类型信息）
  • 只适用于多态类型（有虚函数）
  • 安全但性能开销较大

const_cast - 常量性转换

用途

  • 添加或移除 const/volatile 限定符

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// 移除 const
const int ci = 10;
int* modifiable = const_cast<int*>(&ci);
*modifiable = 20;  // 未定义行为！原对象是 const

// 合法使用：调用旧式 API
void legacy_func(char* str);
const char* hello = "hello";
legacy_func(const_cast<char*>(hello));  // 已知字符串不会被修改

// 添加 const
int x = 42;
const int* cx = const_cast<const int*>(&x);

特点

  • 只改变常量性，不改变类型
  • 移除 const 后修改原对象是未定义行为
  • 主要用于接口兼容

reinterpret_cast - 重新解释转换

用途

  • 底层、不相关的二进制转换
  • 最危险的转换

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// 指针类型转换
int x = 0x12345678;
char* bytes = reinterpret_cast<char*>(&x);

for (std::size_t index = 0; index < 4; ++index) {
   cout << hex << int(bytes[0 + index]) << " ";
}
// 对于常见的小端序，输出 78 56 34 12

// 指针与整数转换
uintptr_t addr = reinterpret_cast<uintptr_t>(&x); 
// 将x的地址值转换为 uintptr_t 类型
//uintptr_t是C标准库（<stdint.h>）中定义的一种无符号整数类型，它的关键特性是​​足够大，能够无损地存储任何指针值​，这比直接转换为 unsigned long等类型更安全、可移植性更好

// 如果需要将其恢复为指针
int* ptr = reinterpret_cast<int*>(addr);

// 不相关类型转换
struct A { int a; };
struct B { double b; };
A a{42};
B* bp = reinterpret_cast<B*>(&a);  // 极其危险！

特点

  • 最低层的转换
  • 高度平台相关
  • 几乎不做任何检查
  • 最后的选择

对比总结

特性 static_cast dynamic_cast const_cast reinterpret_cast
安全性 中等 高 低 极低
检查时机 编译时 运行时 编译时 无检查
性能开销 无 有 无 无
主要用途 相关类型转换 多态类型安全转换 常量性修改 底层二进制转换
失败行为 可能未定义行为 返回 nullptr（指针）或抛出异常（引用） 未定义行为（如果错误使用） 几乎总是成功但危险

使用指南

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// 推荐的使用顺序
// 1. 首先尝试 static_cast（如果类型相关）
// 2. 对于多态类型向下转换，使用 dynamic_cast
// 3. 需要修改常量性时，使用 const_cast
// 4. 最后才考虑 reinterpret_cast

class Base { virtual ~Base() {} };
class Derived : public Base {};

Base* base = new Derived();

// 好的实践
Derived* derived1 = dynamic_cast<Derived*>(base);  // 安全检查
if (derived1) { /* 使用 */ }

// 坏的实践  
Derived* derived2 = reinterpret_cast<Derived*>(base);  // 危险！

核心原则：优先使用安全的转换，只在必要时使用危险的转换，并充分了解其风险。