類型轉換 (Casts)

C++ 提供了五種特定的類型轉換：const_cast<>()、static_cast<>()、reinterpret_cast<>()、dynamic_cast<>() 和 C++20 引入的 std::bit_cast<>()。

請注意，舊的 C 風格類型轉換（如 (int)myFloat）在 C++ 中仍然有效，并在現有代碼庫中廣泛使用。C 風格的類型轉換涵蓋了所有四種 C++ 類型轉換，因此它們更容易出錯，因為您試圖實現的目的并不總是顯而易見的，可能會得到意外的結果。我強烈建議您在新代碼中只使用 C++ 風格的類型轉換，因為它們更安全，且在代碼中更加突出。

虛擬基類

模糊基類出現在多個父類共有一個共同的父類時。推薦的解決方案是確保共享的父類自身不具有任何功能。這樣，其方法永遠不會被調用，從而避免了歧義問題。C++ 還有另一種機制，稱為虛擬基類，用于解決您希望共享的父類具有自己功能的情況。

如果共享的父類是一個虛擬基類，則不會有任何歧義。以下代碼在 Animal 基類中添加了一個 sleep() 方法，并修改了 Dog 和 Bird 類，使它們作為虛擬基類從 Animal 繼承。如果不使用虛擬基類，對 DogBird 對象的 sleep() 調用將是模糊的，并會生成編譯器錯誤，因為 DogBird 將具有兩個 Animal 子對象，一個來自 Dog，一個來自 Bird。然而，當 Animal 被虛擬繼承時，DogBird 只有一個 Animal 類的子對象，因此調用 sleep() 不會有歧義。

class Animal {
public:
    virtual void eat() = 0;
    virtual void sleep() { cout << "zzzzz...." << endl; }
};

class Dog : public virtual Animal {
public:
    virtual void bark() { cout << "Woof!" << endl; }
    void eat() override { cout << "The dog ate." << endl; }
};

class Bird : public virtual Animal {
public:
    virtual void chirp() { cout << "Chirp!" << endl; }
    void eat() override { cout << "The bird ate." << endl; }
};

class DogBird : public Dog, public Bird {
public:
    void eat() override { Dog::eat(); }
};

int main() {
    DogBird myConfusedAnimal;
    myConfusedAnimal.sleep(); // 因為虛擬基類而不模糊
}

注意：虛擬基類是避免類層次結構中歧義的好方法。

類型轉換 (Casts)

C++ 提供了五種特定的類型轉換：const_cast<>()、static_cast<>()、reinterpret_cast<>()、dynamic_cast<>() 和 C++20 引入的 std::bit_cast<>()。第一種在第 1 章中討論過。第 1 章還介紹了用于某些基本類型之間轉換的 static_cast<>()，但在繼承的上下文中還有更多內容。現在您已經熟悉編寫自己的類并理解類繼承，是時候更仔細地看看這些類型轉換了。

請注意，舊的 C 風格類型轉換（如 (int)myFloat）在 C++ 中仍然有效，并在現有代碼庫中廣泛使用。C 風格的類型轉換涵蓋了所有四種 C++ 類型轉換，因此它們更容易出錯，因為您試圖實現的目的并不總是顯而易見的，可能會得到意外的結果。我強烈建議您在新代碼中只使用 C++ 風格的類型轉換，因為它們更安全，且在代碼中更加突出。

static_cast()

(1) 使用場景

static_cast()用于執行語言直接支持的顯式轉換。例如，將int轉換為double以避免整數除法：

int i { 3 };
int j { 4 };
double result { static_cast<double>(i) / j };

static_cast() 也可用于執行因用戶定義的構造函數或轉換例程而允許的顯式轉換。例如，如果類 A 有一個接受 B 對象的構造函數，則可以使用 static_cast() 將 B 對象轉換為 A 對象。

(2) 在繼承中的應用

static_cast()可用于繼承層次結構中的向下轉型：

class Base { /* ... */ };
class Derived : public Base { /* ... */ };

Base* b { nullptr };
Derived* d { new Derived{} };
b = d; // 向上轉型，不需要轉換。
d = static_cast<Derived*>(b); // 向下轉型，需要轉換。

(3) 注意事項

• static_cast() 不執行運行時類型檢查。可以將任何 Base 指針轉換為 Derived 指針，即使 Base 實際上不是 Derived。
• static_cast() 不是萬能的，它不能將一種類型的指針轉換為另一種完全無關的類型的指針，也不能在沒有轉換構造函數的情況下直接將一種類型的對象轉換為另一種類型的對象。

reinterpret_cast()

(1) 使用場景

• reinterpret_cast() 比 static_cast() 更強大但同時也更不安全。它用于執行 C++ 類型規則技術上不允許的某些轉換。
• 可以用來將一種類型的引用轉換為另一種類型的引用，即使類型之間完全無關。
• 常用于將指針類型轉換為任何其他指針類型，包括將任何類型的指針轉換為 void*。

(2) 注意事項

• 使用 reinterpret_cast() 要格外小心，因為它允許你在不執行任何類型檢查的情況下進行轉換。
• 可以用 reinterpret_cast() 將指針轉換為足夠大以容納它的整型類型，反之亦然。但是，嘗試將 64 位指針轉換為 32 位整數會導致編譯錯誤。

std::bit_cast()

(1) 特點

• std::bit_cast() 是 C++20 中引入的，定義在 <bit> 頭文件中。
• 它是標準庫中唯一的類型轉換，其他類型轉換是 C++ 語言本身的一部分。
• bit_cast() 類似于 reinterpret_cast()，但它創建一個給定目標類型的新對象，并將源對象的位復制到這個新對象中。它有效地將源對象的位解釋為目標對象的位。
• bit_cast() 要求源對象和目標對象的大小相同且都是平凡可復制的。

(2) 示例

float asFloat { 1.23f };
auto asUint { bit_cast<unsigned int>(asFloat) };
if (bit_cast<float>(asUint) == asFloat) {
    cout << "Roundtrip success." << endl;
}

(3) 應用場景

bit_cast() 的一個用例是用于平凡可復制類型的二進制 I/O。例如，可以將這些類型的單個字節寫入文件，讀取文件時，可以使用 bit_cast() 正確解釋從文件讀取的字節。

平凡可復制類型通常具有以下特征：

• 無自定義析構函數：類型沒有自定義的析構函數。
• 無自定義或虛擬構造函數：類型沒有自定義的構造函數，也沒有虛擬構造函數。
• 無虛函數和虛基類：類型不包含虛函數，并且不從虛基類繼承。
• 可簡單拷貝其狀態：類型的所有成員可以通過簡單的內存拷貝來復制，沒有需要特殊處理的成員（如指針或動態分配的資源）。

dynamic_cast()

(1) 特點

• dynamic_cast() 在繼承層次結構中提供了運行時類型檢查。
• 它可以用于轉換指針或引用。
• 如果轉換沒有意義，dynamic_cast() 將返回空指針（對于指針版本）或拋出 std::bad_cast 異常（對于引用版本）。

(2) 示例

Base* b;
Derived* d { new Derived{} };
b = d;
d = dynamic_cast<Derived*>(b);

Base base;
Derived derived;
Base& br { base };
try {
    Derived& dr { dynamic_cast<Derived&>(br) };
} catch (const bad_cast&) {
    cout << "Bad cast!" << endl;
}

(3) 與其他類型轉換的區別

• 與 static_cast() 或 reinterpret_cast() 不同，dynamic_cast() 執行運行時（動態）類型檢查，而后者即使轉換錯誤也會執行轉換。
• 為了使用 dynamic_cast()，你的類必須至少有一個虛擬方法。如果類沒有虛擬表（vtable），嘗試使用 dynamic_cast() 將導致編譯錯誤。

C++ 類型轉換總結

注意事項

• 使用 const_cast() 應謹慎，因為它改變了對象的 const 性質。
• static_cast() 是最常用的轉換類型，適用于許多標準和用戶定義的轉換。
• bit_cast() 用于位級別的類型轉換，要求源和目標類型大小相同且都是平凡可復制的。
• dynamic_cast() 在繼承層次中提供運行時類型檢查，但要求類至少有一個虛擬方法。
• reinterpret_cast() 提供更廣泛的轉換能力，但也帶來更高的風險，因為它不執行類型檢查。