掌握 C++ 中复杂类型转换的秘诀
发表时间: 2019-08-30 14:58
作者 | 樱雨楼
责编 | 胡雪蕊
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
引言
不同的数据在计算机内存中的存储方式不同，导致了“类型”这一抽象概念的出现。
对于一个变量而言，其必须要回答三个问题：
1. 在哪可以访问到这个变量的起点？
2. 从起点向后需要读取多少内存？
3. 应该如何解析读取到的二进制数据？
上述的三个问题中，问题 1，由内存地址回答，问题 2 和 3，均由类型回答。
由此可见，类型与内存地址共同构成了一个变量的完整组分。之所以不能对 void 取值，也是由于无法回答问题 2 和 3 导致。
进一步的，我们可以得到一条十分重要的结论：对于两个不同类型的变量，由于其对问题 2 和 3 的答案不同，故如果将这样的两个变量直接进行运算，在绝大多数情况下都将无法产生有价值的计算结果。
故在几乎所有的编程语言中都有一条重要的规定：不同类型的两个变量无法直接进行运算。
虽然不同类型的两个变量无法进行运算，但显然，我们可将其中的一个变量通过类型转换，转为与另一个变量类型一致，此时就满足“同类型变量才能进行运算”这一规定了。
同时，由于某些类型转换是“理所应当”的，而另一些不是，故由此又派生出两个概念：隐式类型转换与显式类型转换。
隐式类型转换指不通过专门的类型转换操作，而是通过其它规定或代码上下文隐式发生的类型转换，而显式类型转换则通过专门的类型转换操作进行转换，显式类型转换具有强制性，其将不受任何类型转换以外的因素影响，故显式类型转换又称为强制类型转换 。
在 C++ 中，类型转换是一个非常复杂的话题。本文将先从隐式类型转换入手，逐步讨论各类 C++ 的类型转换话题。
类型提升与算术类型转换
算术类型转换专指 C++ 提供的各种内置算术类型之间的隐式类型转换。
内置算术类型主要包括以下类型：
1. bool
2. char, signed char, unsigned char
3. short, int, long, long long, unsignedshort, unsigned int, unsigned long, unsigned long long
4. float, double, long double
5. size_t, ptrdiff_t, ptr_t 等其它特殊类型
算术类型转换是一类不完全明确的，且与底层密切相关的隐式类型转换。
其遵循以下几条主要原则：
1. 对于同类算术类型，如short 与 int，float 与 double，占用较小内存的类型将转换成另一类型。如 short+ int将被转换为 int + int。此种类型转换称为类型提升。
2. 整形将转为浮点型。如 int+ double 将被转换为 double + double。
3. 仅当无符号类型占用的内存小于有符号类型时，无符号类型才发生类型提升从而转为有符号类型，否则，有符号类型将转为无符号类型。这是一个非常需要注意的点。
参考以下代码：
int main
{
unsigned short a = 1;
unsigned b = 1;
cout << (a > -1) << " " << (b > -1) << endl; // 1 0!
}
上述代码中，-1 作为 int 直接量而存在，由于变量 a 是unsigned short 类型，故其将被转为 int，值仍为 1。
但由于变量 b 的类型是与 int 同级的 unsigned 类型，故此时 -1 将被转为 unsigned 类型，这明显不是我们需要的结果。
由此可见，当有符号类型与无符号类型（如 size_t）发生混用时，一定要小心可能会发生的隐式类型转换。
转换构造函数
3.1 定义转换构造函数
C++ 中，如果一个构造函数满足以下所有条件，则其成为一个转换构造函数：
1. 至多有一个不含默认值的形参。这主要包括以下几种情况：
构造函数只有一个形参
构造函数有不止一个形参，但只有第一形参无默认值
构造函数有不止一个形参，但全部形参均有默认值
2. 第一形参的类型不为类本身或其附加类型（否则此构造函数将成为拷贝构造函数或移动构造函数）
如果一个类定义了某种转换构造函数，则被定义的类型将可以通过任何类型转换方式转为当前类类型。这常见于以下几种情况：
1. 赋值时发生的隐式类型转换
2. 实参传递时发生的隐式类型转换
3. 基于 static_cast 的显式类型转换
参考以下代码：
c++
struct A { A (int) {} }; // 转换构造函数
void test(A) {}
int main
{
A _ = 0; // 赋值时发生的隐式类型转换
test(0); // 实参传递时发生的隐式类型转换
}
上述代码中，我们为类A 定义了从 int 到 A 的转换构造函数。则此时，我们既可以将一个 int 直接赋值给类型为 A 的变量，也可以直接将一个 int 作为实参传给类型为 A 的形参。这两种情况发生时，都隐式地通过转换构造函数构造了类 A 的一个实例。
3.2 阻止基于转换构造函数进行的隐式类型转换
由上文可知，当定义了一个转换构造函数后，就打通了某个其它类型向类类型进行转换的通道。此时，如果我们希望禁用基于转换构造函数进行的隐式类型转换，则需要在转换构造函数前追加 explicit 声明。
当一个转换构造函数被声明为 explicit 后，其具有以下性质：
1. 禁止一切场合下的基于转换构造函数的隐式类型转换
2. 不影响被转换类型到类类型的强制类型转换
3. 不影响对转换构造函数的正常调用
参考以下代码：
struct A { explicit A (int) {} }; // explicit转换构造函数
void test(A) {}
int main
{
A _ = 0; // Error！禁止赋值时发生的隐式类型转换！
test(0); // Error！禁止实参传递时发生的隐式类型转换！
static_cast<A>(0); // explicit不影响强制类型转换
A(0); // explicit不影响对转换构造函数的正常调用
}
上述代码中，我们将类A 的转换构造函数声明为 explicit，则此时 int 将不能通过赋值或实参传递的方式隐式的转换为 A。但显然，explicit 只是禁用了转换构造函数的隐式类型转换功能，其构造函数功能以及显式类型转换功能并不受影响。
类型转换运算符
转换构造函数定义了其它类型向类类型的转换方案，类型转换运算符则定义了与之相反的过程：其用于定义类类型向其它类型的转换方案。当类定义了某种类型的类型转换运算符后，类类型将可以向被定义类型发生类型转换。
参考以下代码：
struct A { operator int const { return 0; } }; // 定义A -> int进行类型转换的方案
void test(int) {}
int main
{
test(A); // 发生了A -> int的隐式类型转换
}
与转换构造函数类似，如果希望禁用隐式类型转换，则需要对类型转换运算符追加 explicit 声明。同样的，explicit 不影响强制类型转换。
参考以下代码：
struct A { explicit operator int const { return 0; } }; // explicit类型转换运算符
void test(int) {}
int main
{
test(A); // Error！禁止A -> int的隐式类型转换
test(static_cast<int>(A)); // explicit不影响强制类型转换
}
对于类型转换运算符与explicit 还有一条额外规定：operator bool 在条件表达式（这主要包括：if、while、for、 ?: 的条件部分）或逻辑表达式中发生的隐式类型转换将不受 explicit 影响。
参考以下代码：
struct A { explicit operator bool const { return true; } }; // explicit类型转换运算符
int main
{
if (A) {} // 即使operator bool被声明为explicit，其在if中也能发生隐式类型转换
}
继承类到基类的类型转换5.1 静态类型与动态类型
C++ 的继承机制决定了这样的抽象模型：继承类 = 基类部分 + 继承类部分。这意味着每一个继承类都含有其所有基类（如果基类不止一个）的数据各一份。也就是说，对于一个继承类对象，对其基类部分进行操作显然是可行的，这主要包括：
1. 得到基类部分的数据
2. 将类型转换为基类类型（以丢失某些信息为代价）
也就是说，我们可以将一个继承类对象直接赋值给一个基类类型的变量，显然，这样的赋值建立在隐式类型转换之上，称为继承类到基类的类型转换，或称为向上类型转换。
根据附加类型的不同，向上类型转换分为以下几种情况：
struct A {};
struct B: A {};
int main
{
A a1 = B; // 值向上转换
A *a2 = new B; // 指针向上转换
A &a3 = a1; // 左值引用向上转换
A &&a4 = B; // 右值引用向上转换
}
上述代码中，变量a1 的类型是 A，这是一个非指针或引用变量，故变量的内存大小就是 A类对象的大小。如果对基类类型变量使用继承类对象赋值，则将强行去除继承类对象的继承类部分，而将基类部分赋值给变量。
故对于 a1 而言，其得到的应该是一个 B 类对象的 A 类部分。即：如果发生向上类型转换的类型是类本身，则将以丢失继承类对象的继承类部分为代价进行向上类型转换。
事实上，此赋值操作调用了 A 类的合成拷贝赋值运算符，而非基于隐式类型转换。C++ 对于类的某些成员函数的合成操作是一个非常复杂的话题，且涉及大量与本文无关的内容，故本文不再详述。
对于变量 a2-4，其类型都是 A 的指针或引用（也是指针），而非 A 的本体。由于指针本身并不与类型直接挂钩，故理论上，此类变量中真正存放的值可以是一个非 A 类型的数据。
由此，我们引出“静态类型”与“动态类型”的概念。
C++ 中，一个变量声明的类型称为静态类型，而其实际存储的数据的类型称为动态类型。
在绝大多数情况下，静态类型与动态类型都是必须一致的，如果不一致，将发生隐式类型转换或引发编译错误。当且仅当使用基类的指针或引用存储继承类对象时，变量的静态类型与动态类型将不一致。
此时，虽然看上去发生了向上类型转换，但实际上并未发生，此过程称为动态绑定。
一个变量的静态类型，决定了由此变量能够访问到的成员名称。当静态类型是基类指针或引用时，即使变量存放的是继承类对象，也只能够访问到基类中声明的成员名称。
即：如果发生向上类型转换的类型是类的指针或引用，则将以丢失继承类部分的成员名称为代价进行向上类型转换。
但由于虚函数的存在，访问成员名称所得到的实际成员函数将不一定与静态类型保持一致，此性质是 C++ 多态的核心。虚函数相关话题与本文无关，这里不再详述。
5.2 阻止向上类型转换
让我们重新思考这样一个问题：为什么继承类可以访问基类的成员？
不难发现，“继承类可以访问基类成员”这一性质并不是天经地义的，因为继承类中并没有“复制粘贴”一个基类，而只有继承类本身的部分，故原则上继承类虽然继承了基类，但其本身仍然是没有能力访问基类的成员的。
继承类对象之所以能够访问基类成员，是因为在进行这样的访问时，继承类的 this 指针通过向上类型转换操作转换成了一个基类类型的指针，然后以基类指针的身份访问到了基类的成员。
如果希望阻止这种隐式的向上类型转换呢？
让我们认真考察 public、protected 与 private 这三个关键字。
按照常规的解读，这三个关键词用于限定类的用户的访问权，需要注意的是：“类的用户”不仅指类实例，也指继承此类的类。
说明如下：
public：当用于访问说明符时，表示对类的一切用户可见；用于继承时，表示继承时不修改基类的一切访问说明符
protected：当用于访问说明符时，表示仅对类的继承用户可见，对类的实例用户不可见；用于继承时，表示将基类的一切 public 访问说明符在继承类中修改为 protected
private：当用于访问说明符时，表示对一切类的用户均不可见；用于继承时，表示将基类的一切 public 和 protected 访问说明符在继承类中修改为 private
上述描述中，“将基类的xxx访问说明符在继承类中修改为xxx”是一个很奇怪且魔幻的描述，我们不禁要思考，为什么 C++ 会给出这样的三种继承模式？又为什么要“伴随着继承修改访问说明符”呢？
如果我们从向上类型转换这一角度思考，就能得出答案：
public：不阻止任何用户进行向上类型转换
protected：阻止类的实例用户进行向上类型转换
private：阻止一切用户进行向上类型转换
由此我们可知，“修改访问说明符”是一种访问说明符在继承时的作用的较为直观的理解，而其真正意义是阻止向上类型转换。
参考以下代码：
struct A {};
struct B: A {}; // 不阻止任何B类的用户向A进行类型转换
struct C: protected A {}; // 阻止C类的实例用户向A进行类型转换
struct D: private A {}; // 阻止D类的一切用户向A进行类型转换
struct E: B { void test { static_cast<A *>(this); } }; // B类的继承类用户可以向A进行类型转换
struct F: C { void test { static_cast<A *>(this); } }; // C类的继承类用户可以向A进行类型转换
struct E: D { void test { static_cast<A *>(this); } }; // Error！D类的继承类用户不可以向A进行类型转换
int main
{
static_cast<A *>(new B); // B类的实例用户可以向A进行类型转换
static_cast<A *>(new C); // Error！C类的实例用户不可以向A进行类型转换
static_cast<A *>(new D); // Error！D类的实例用户不可以向A进行类型转换
}
上述代码中，类 B、C、D 分别以三种不同的访问说明符继承自类 A，同时，我们分别为类B、C、D 各定义了一个继承类用户和一个实例用户。
由此可见，public 继承将不阻止类的任何用户进行向上类型转换，而 private 继承将阻止类的一切用户进行向上类型转换，protected 继承只阻止类的实例用户进行向上类型转换，但不阻止类的继承类用户进行向上类型转换。
5.3 多重继承与向上类型转换
对于多重继承，其向上类型转换对于同一继承层的多个基类是全面进行的。
参考以下代码：
struct A { int i; };
struct B { int i; };
struct C: A, B { int i; };
struct D: A, B {};
int main
{
C.i; // 访问C::i
D.i; // Error！存在二义性！
}
对于类 C，由于其自身定义了变量 i，故访问 C 类的i变量时并未发生向上类型转换。而对于类 D，由于其自身没有定义变量 i，故访问D 类的i变量时需要在其各个基类中分别进行查找。由于编译器发现D -> A -> i 与 D -> B -> i 这两种查找路线都是可行的，故此时编译器判定此查找存在二义性。
其它隐式类型转换
C++ 中还定义了一些特殊的类型转换，以下列举出一些常见的情况：
1. 0 转换为空指针
int main
{
int *p = 0;
}
2. 数组退化为指针
int main
{
int a[10];
int *p = a;
}
3. 空指针或数字 0 转为 false，其它指针或数字转为 true
int main
{
if(ptr) {}
if (2) {}
}
4. T转换为 void
int main
{
void *p = new int;
}
5. 非 const 转换为 const
int main
{
int *a;
const int * const b = a;
}
作者简介：樱雨楼，毕业于生物信息学专业，是一枚Python/C++/Perl开发，自称R语言黑粉，Github勾搭：https://github.com/yingyulou
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