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关于c++:C中的类型转换上隐式类型转换

jiezi

0. 引言

不同的数据在计算机内存中的存储形式不同，导致了“类型”这一抽象概念的呈现。对于一个变量而言，其必须要答复三个问题：

  1. 在哪能够拜访到这个变量的终点？
  2. 从终点向后须要读取多少内存？
  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，由内存地址答复，问题 2 和 3，均由类型答复。由此可见，类型与内存地址独特形成了一个变量的残缺组分。之所以不能对 void * 取值，也是因为无法回答问题 2 和 3 导致。

进一步的，咱们能够失去一条非常重要的论断：对于两个不同类型的变量，因为其对问题 2 和 3 的答案不同，故如果将这样的两个变量间接进行运算，在绝大多数状况下都将无奈产生有价值的计算结果。故在简直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奈间接进行运算。

尽管不同类型的两个变量无奈进行运算，但显然，咱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统一，此时就满足“同类型变量能力进行运算”这一规定了。同时，因为某些类型转换是“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，而是通过其余规定或代码上下文隐式产生的类型转换，而显式类型转换则通过专门的类型转换操作进行转换，显式类型转换具备强制性，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动手，逐渐探讨各类 C ++ 的类型转换话题。

1. 类型晋升与算术类型转换

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。内置算术类型次要包含以下类型：

  1. bool
  2. char, signed char, unsigned char
  3. short, int, long, long long, unsigned short, unsigned int, unsigned long, unsigned long long
  4. float, double, long double
  5. size_t, ptrdiff_t, nullptr_t 等其余非凡类型

算术类型转换是一类不齐全明确的，且与底层密切相关的隐式类型转换。其遵循以下几条次要准则：

  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晋升。
  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，无符号类型将产生类型晋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。这是一个十分须要留神的点。

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 间接量而存在，因为变量 a 是 unsigned short 类型，故其将被转为 int，值仍为 1。但因为变量 b 的类型是与 int 同级的 unsigned 类型，故此时 - 1 将被转为 unsigned 类型，这显著不是咱们须要的后果。由此可见，当有符号类型与无符号类型（如 size_t）产生混用时，肯定要小心可能会产生的隐式类型转换。

2. 转换构造函数

2.1 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. 至少有一个不含默认值的形参。这次要包含以下几种状况：
  • 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，但全副形参均有默认值
  1. 第一形参的类型不为类自身或其附加类型（否则此构造函数将成为拷贝构造函数或挪动构造函数）

如果一个类定义了某种转换构造函数，则被定义的类型将能够通过任何类型转换形式转为以后类类型。这常见于以下几种状况：

  1. 赋值时产生的隐式类型转换
  2. 实参传递时产生的隐式类型转换
  3. 基于 static_cast 的显式类型转换

参考以下代码：

struct A {A (int) {}};  // 转换构造函数

void test(A) {}

int main()
{
    A _ = 0;  // 赋值时产生的隐式类型转换
    test(0);  // 实参传递时产生的隐式类型转换
}

上述代码中，咱们为类 A 定义了从 int 到 A 的转换构造函数。则此时，咱们即能够将一个 int 间接赋值给类型为 A 的变量，也能够间接将一个 int 作为实参传给类型为 A 的形参。这两种状况产生时，都隐式地通过转换构造函数结构了类 A 的一个实例。

2.2 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，就买通了某个其余类型向类类型进行转换的通道。此时，如果咱们心愿禁用基于转换构造函数进行的隐式类型转换，则须要在转换构造函数前追加 explicit 申明。

当一个转换构造函数被申明为 explicit 后，其具备以下性质：

  1. 禁止所有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失常调用

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！禁止赋值时产生的隐式类型转换！test(0);            // Error！禁止实参传递时产生的隐式类型转换！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失常调用
}

上述代码中，咱们将类 A 的转换构造函数申明为 explicit，则此时 int 将不能通过赋值或实参传递的形式隐式的转换为 A。但显然，explicit 只是禁用了转换构造函数的隐式类型转换性能，其构造函数性能以及显式类型转换性能并不受影响。

3. 类型转换运算符

转换构造函数定义了其余类型向类类型的转换计划，类型转换运算符则定义了与之相同的过程：其用于定义类类型向其余类型的转换计划。当类定义了某种类型的类型转换运算符后，类类型将能够向被定义类型产生类型转换。

参考以下代码：

struct A {operator int() const {return 0;} };  // 定义 A -> int 进行类型转换的计划

void test(int) {}

int main()
{test(A());  // 产生了 A -> int 的隐式类型转换
}

与转换构造函数相似，如果心愿禁用隐式类型转换，则须要对类型转换运算符追加 explicit 申明。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 还有一条额定规定：operator bool() 在条件表达式（这次要包含：if, while, for, ?: 的条件局部）或逻辑表达式中产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()) {}  // 即便 operator bool() 被申明为 explicit，其在 if 中也能产生隐式类型转换
}

4. 继承类到基类的类型转换

4.1 动态类型与动静类型

C++ 的继承机制决定了这样的形象模型：继承类 = 基类局部 + 继承类局部，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，对其基类局部进行操作显然是可行的，这次要包含：

  1. 失去基类局部的数据
  2. 将类型转换为基类类型（以失落某些信息为代价）

也就是说，咱们能够将一个继承类对象间接赋值给一个基类类型的变量，显然，这样的赋值建设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。依据附加类型的不同，向上类型转换分为以下几种状况：

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;     // 左值援用向上转换
    A &&a4 = B();    // 右值援用向上转换}

上述代码中，变量 a1 的类型是 A，这是一个非指针或援用变量，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应用继承类对象赋值，则将强行去除继承类对象的继承类局部，而将基类局部赋值给变量。故对于 a1 而言，其失去的应该是一个 B 类对象的 A 类局部。即： 如果产生向上类型转换的类型是类自身，则将以失落继承类对象的继承类局部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，且波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 的指针或援用（也是指针），而非 A 的本体。因为指针自身并不与类型间接挂钩，故实践上，此类变量中真正寄存的值能够是一个非 A 类型的数据。由此，咱们引出动态类型与动静类型的概念。

C++ 中，一个变量申明的类型称为动态类型，而其理论存储的数据的类型称为动静类型。在绝大多数状况下，动态类型与动静类型都是必须统一的，如果不统一，将产生隐式类型转换或引发编译谬误。当且仅当应用基类的指针或援用存储继承类对象时，变量的动态类型与动静类型将不统一。此时，尽管看上去产生了向上类型转换，但实际上并未产生，此过程称为动静绑定。

一个变量的动态类型，决定了由此变量可能拜访到的成员名称。当动态类型是基类指针或援用时，即便变量寄存的是继承类对象，也只可能拜访到基类中申明的成员名称。即： 如果产生向上类型转换的类型是类的指针或援用，则将以失落继承类局部的成员名称为代价进行向上类型转换。 但因为虚函数的存在，拜访成员名称所失去的理论成员函数将不肯定与动态类型保持一致，此性质是 C ++ 多态的外围。虚函数相干话题与本文无关，这里不再详述。

4.2 阻止向上类型转换

让咱们从新思考这样一个问题：为什么继承类能够拜访基类的成员？不难发现，“继承类能够拜访基类成员”这一性质并不是理所当然的，因为继承类中并没有“复制粘贴”一个基类，而只有继承类自身的局部，故原则上继承类尽管继承了基类，但其自身依然是没有能力拜访基类的成员的。继承类对象之所以可能拜访基类成员，是因为在进行这样的拜访时，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，而后以基类指针的身份拜访到了基类的成员。

如果心愿阻止这种隐式的向上类型转换呢？让咱们认真考查 public，protected，private 这三个关键字。

依照惯例的解读，这三个关键词用于限定类的用户的拜访权，须要留神的是：“类的用户”不仅指类实例，也指继承此类的类。 阐明如下：

  • public：当用于拜访说明符时，示意对类的所有用户可见；用于继承时，示意继承时不批改基类的所有拜访说明符
  • protected：当用于拜访说明符时，示意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，示意将基类的所有 public 拜访说明符在继承类中批改为 protected
  • private：当用于拜访说明符时，示意对所有类的用户均不可见；用于继承时，示意将基类的所有 public 和 protected 拜访说明符在继承类中批改为 private

上述形容中，“将基类的 xxx 拜访说明符在继承类中批改为 xxx”是一个很奇怪且魔幻的形容，咱们不禁要思考，为什么 C ++ 会给出这样的三种继承模式？又为什么要“随同着继承批改拜访说明符”呢？

如果咱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：阻止所有用户进行向上类型转换

由此咱们可知，“批改拜访说明符”是一种拜访说明符在继承时的作用的较为直观的了解，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 类的所有用户向 A 进行类型转换

struct E: B {void test() {static_cast<A *>(this); } };  // B 类的继承类用户能够向 A 进行类型转换
struct F: C {void test() {static_cast<A *>(this); } };  // C 类的继承类用户能够向 A 进行类型转换
struct E: D {void test() {static_cast<A *>(this); } };  // Error！D 类的继承类用户不能够向 A 进行类型转换

int main()
{static_cast<A *>(new B);  // B 类的实例用户能够向 A 进行类型转换
    static_cast<A *>(new C);  // Error！C 类的实例用户不能够向 A 进行类型转换
    static_cast<A *>(new D);  // Error！D 类的实例用户不能够向 A 进行类型转换
}

上述代码中，类 B，C，D 别离以三种不同的拜访说明符继承自类 A，同时，咱们别离为类 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 继承将阻止类的所有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。

4.3 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;  // 拜访 C::i
    D().i;  // Error！存在二义性！}

对于类 C，因为其本身定义了变量 i，故拜访 C 类的 i 变量时并未产生向上类型转换。而对于类 D，因为其本身没有定义变量 i，故拜访 D 类的 i 变量时须要在其各个基类中别离进行查找。因为编译器发现 D -> A -> i 与 D -> B -> i 这两种查找路线都是可行的，故此时编译器断定此查找存在二义性。

5. 其余隐式类型转换

C++ 中还定义了一些非凡的类型转换，以下列举出一些常见的状况：

  1. 0 转换为空指针：
int main()
{int *p = 0;}
  1. 数组进化为指针 
int main()
{int a[10];
    int *p = a;
}
  1. 空指针或数字 0 转为 false，其余指针或数字转为 true
int main()
{if(nullptr) {}
    if (2) {}}
  1. T 转换为 void 
int main()
{void *p = new int;}

显然，不存在 void * -> T * 的隐式类型转换。

  1. 非 const 转换为 const
int main()
{
    int *a;
    const int * const b = a;
}

樱雨楼
2019.8 于苏州

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