CppCon 2015 学习:The dangers of C-style casts

C风格类型转换的危险

Joshua Gerrard 的文章讨论了 C风格类型转换（C-style cast）的危险性，并通过几个示例来演示它的潜在问题。C风格转换有时候会让程序看起来没有错误，但实际上可能会引入潜在的类型不匹配问题，这些问题可能在编译时没有警告，也可能在运行时导致错误。以下是对文章的中文理解：

示例 1：

float x = 1.0f;
double* y = (double*) &x;

你认为这段代码能通过编译吗？

• GCC 5.2.0 和 MSVC 19 甚至不会发出警告。C风格转换 (double*) 会让编译器接受将 float* 强制转换为 double*，但是这种转换是非法的，因为 float 和 double 类型在内存布局上是不同的。
  • 问题： 即使没有警告，它仍然是不安全的，因为这样做会破坏类型系统，可能导致不可预期的行为。
    改成 static_cast 之后：

float x = 1.0f;
double* y = static_cast<double*>(&x);

你认为这会编译通过吗？

• GCC 5.2.0 会报错：invalid static_cast from type 'float*' to type 'double*'
• MSVC 19 会报错：C2440 'static_cast': cannot convert from 'float *' to 'double *'
  分析：
• static_cast 是类型转换的一个更安全的版本。它在编译时会进行类型检查，如果转换无效，则会发出错误。而 C风格转换则没有这种检查，可能导致程序在运行时出现潜在的类型问题。

示例 2：

struct T;
const float x = 1.0f;
T* y = (T*) &x;

你认为这段代码能通过编译吗？

• GCC 5.2.0 和 MSVC 19 不会发出任何警告，直接编译通过。但它实际上是错误的。
  改成 static_cast 之后：

T* y = static_cast<T*>(&x);

你认为这会编译通过吗？

• GCC 5.2.0 会报错：invalid static_cast from type 'const float*' to type 'T*'
• MSVC 19 会报错：C2440: 'static_cast': cannot convert from 'const float *' to 'T *'
  分析：
• static_cast 在这里无法进行类型转换，因为 x 是一个 const 类型的对象，而 T* 是一个非 const 类型的指针。static_cast 不能在这种情况下去除 const 限定符。
• C风格转换 不会做这种检查，它会将 const 移除，这会导致潜在的未定义行为。

发生了什么？

在 C++ 中，C风格转换是 “隐式的多重类型转换”。根据 N4296 - 5.4 Explicit type conversion 规范，C风格转换会尝试以下几个步骤，直到有一个成功：

1. const_cast：移除或添加 const 限定符。
2. static_cast：执行类型之间的转换（如从基类到派生类）。
3. reinterpret_cast：执行不同类型之间的转换（通常用于低级内存操作）。
4. reinterpret_cast + const_cast：同时进行 reinterpret_cast 和 const_cast。
   问题：
   C风格转换会进行多个步骤的类型转换，而且不会检查是否符合类型系统的规则，这就导致了它的危险性。对于复杂的类型转换，C风格转换会绕过编译器的类型检查，从而可能导致程序出现难以发现的错误。

为什么 static_cast 会出问题？

static_cast 是一种安全的类型转换方式，它会进行编译时检查。对于不合法的类型转换，它会直接报错，避免出现运行时错误。

• 比如，在上面的例子中，static_cast 不会允许将 const float* 转换为 T*，因为这违反了 C++ 的类型系统。
• static_cast 可以在一些合法的情况下进行转换，例如从基类指针转换为派生类指针，但必须保证转换是合法的、符合类型层次结构的。

总结

C风格类型转换非常灵活，但也非常危险。它不会进行类型检查，可能导致未定义的行为。使用 static_cast、dynamic_cast、const_cast 和 reinterpret_cast 等现代 C++ 类型转换工具，能够帮助我们更加安全地进行类型转换，确保类型匹配，并且提高代码的可读性和可维护性。
总之，建议尽量避免使用 C风格的类型转换，转而使用 C++ 提供的类型转换方式，避免潜在的风险。