为什么C++中有reinterpret_cast，当两个链接的static_cast可以完成它的工作？

Question

假设我想将A*转换为char*，反之亦然，我们有两种选择（我的意思是，很多人认为我们有两种选择，因为两者似乎都可以工作！这就是混淆所在！）：

struct A
{
    int age;
    char name[128];
};

A a;
char *buffer = static_cast<char*>(static_cast<void*>(&a)); //choice 1
char *buffer = reinterpret_cast<char*>(&a); //choice 2

两种方式都可以正常工作。

//convert back
A *pA = static_cast<A*>(static_cast<void*>(buffer)); //choice 1
A *pA = reinterpret_cast<A*>(buffer); //choice 2

即使这样也可以正常工作！

那么，既然在C++中两个链接的static_cast就能完成reinterpret_cast的工作，为什么还需要reinterpret_cast呢？

你们中的一些人可能会认为这个话题是先前主题的副本，例如此帖子底部列出的那些主题，但事实并非如此。那些主题只讨论理论问题，但它们中没有一个例子能够说明为什么真正需要reinterpret_cast，以及为什么static_cast 至少需要两次才能达到目标。 我同意，一次static_cast是不够的。 但是两次呢？

如果两个链接的static_cast语法看起来很麻烦，那么我们可以编写一个函数模板来使其更加友好：

template<class To, class From>
To any_cast(From v)
{
    return static_cast<To>(static_cast<void*>(v));
}

然后，我们可以这样使用：

char *buffer = any_cast<char*>(&a); //choice 1
char *buffer = reinterpret_cast<char*>(&a); //choice 2

//convert back
A *pA = any_cast<A*>(buffer); //choice 1
A *pA = reinterpret_cast<A*>(buffer); //choice 2

此外，请参见这种情况，any_cast 可以很有用：Proper casting for fstream read and write member functions。

那么我的问题基本上是，

• 为什么C++中有 reinterpret_cast ？
• 请给我展示一个例子，即使是两个链接在一起的 static_cast ，也肯定无法完成相同的工作？

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• 使用哪种类型的转换； static_cast 还是 reinterpret_cast？
• 从 Void* 转换为 TYPE*：static_cast 还是 reinterpret_cast？

- Nawaz

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嗯...我需要一个类型为T*且地址为8的指针（用于这个技巧http://stackoverflow.com/questions/5014061/whats-the-use-of-atl-packing-constant-when-computing-distance-from-the-start-of） - 我该如何使用static_cast实现？ - sharptooth

@sharptooth：我并没有真正理解那个。请发一个回答，解释和演示两个链接的static_cast无法完成reinterpret_cast的工作。 - Nawaz

@Nawaz - 我不喜欢你的“cast-style”模板函数any_cast，因为它的名称具有误导性。如果你从类型pointer-to-A转换到pointer-to-B，它会做得很好，但并非所有情况都适用（“任何”情况）。 - 0xbadf00d

Answer 1

reinterpret_cast 能做到的事情，用一系列的 static_cast 无法做到（都来自于 C++03 5.2.10）：

• 一个指针可以被明确转换为足够大的任何整数类型。

• 一个整数型或枚举型的值可以被明确转换为一个指针。

• 一个函数指针可以被明确转换为不同类型的函数指针。

• 如果 T1 和 T2 是函数类型或对象类型，那么类型为“X 的成员指针的 rvalue，其类型为 T1”，可以被明确转换为类型为“Y 的成员指针的 rvalue，其类型为 T2 ”。

此外，根据 C++03 9.2/17：

• 一个指向 POD 结构体对象的指针，使用 reinterpret_cast 适当转换后，指向其初始成员（或者如果该成员是位域，则指向它所在的单元），反之亦然。

- James McNellis

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@Nawaz：“int i = 42; char* p;” 现在，“p = static_cast<X>(static_cast<Y>(i));” 对于所有可能的“X”和“Y”值都将无法通过编译（除非它们是提供转换函数的类类型）。 - j_random_hacker

第五条，POD结构体的第一个元素的指针可以转换为指向该结构体的指针，反之亦然。 - Cheers and hth. - Alf

@Nawaz：我认为前两个很简单；无论如何，@sharptooth的回答给出了第二种情况的示例，第一种情况只是其反向操作。我想不出后两种情况的引人注目的示例：虽然可以为它们构造示例，但我不知道真正有用的示例。这些项目只是“reinterpret_cast可以做到但没有任何static_cast序列可以做到的事情列表”。 - James McNellis

@James：据我所知，在C++98/03中不行。但标准明确保证了reinterpret_cast的转换。 - Cheers and hth. - Alf

@Nawaz：我记得它在类部分介绍的末尾。请查看我的旧博客文章http://alfps.wordpress.com/2010/06/14/c-basics-five-lesser-known-special-cast-operations/#first_member。 - Cheers and hth. - Alf

Answer 2

您需要使用reinterpret_cast来获得一个带有硬编码地址的指针（例如这里）：

int* pointer = reinterpret_cast<int*>( 0x1234 );

你可能希望有这样的代码来访问某个内存映射设备的输入输出端口。

- sharptooth

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这个不能用链式的 static_cast 实现吗？有人试过吗？ - Nawaz

@nawaz：我不知道如何使用static_cast来做到这一点，而且我从未见过有人这样做 - 要么使用C风格的转换，要么使用reinterpret_cast。 - sharptooth

@sharptooth：我的意思是，使用any_cast（如我问题中所定义的）？会失败吗？ - Nawaz

@sharptooth：看起来你没有理解问题的要点。 - Nawaz

@Nawaz：这完美回答了你的问题。你的 any_cast 在这种情况下不起作用。你不能将 int 静态转换为 void："error: invalid static_cast from type 'int' to type 'void'"。 - Brent Bradburn

Answer 3

一个具体的例子：

char a[4] = "Hi\n";
char* p = &a;

f(reinterpret_cast<char (&)[4]>(p));  // call f after restoring full type
      // ^-- any_cast<> can't do this...

// e.g. given...
template <typename T, int N>   // <=--- can match this function
void f(T (&)[N]) { std::cout << "array size " << N << '\n'; }

- Tony Delroy

Answer 4

除了其他人提供的实际原因，存在它们所能做的不同之处，这是一件好事，因为它正在执行不同的工作。

static_cast 的意思是请将类型为 X 的数据转换为 Y。 reinterpret_cast 的意思是请将类型为 X 的数据解释为 Y。

在许多情况下，底层操作可能是相同的，并且任何一个都可以工作。但是，在说“请将 X 转换为 Y”和说“是的，我知道此数据声明为 X，但请使用它就像它真的是 Y 一样”之间存在概念上的差异。

- jcoder

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这句话“static_cast 要求将类型为 X 的数据转换为 Y。reinterpret_cast 要求将 X 中的数据解释为 Y。”并没有帮助理解，因为它引发了另一个问题：在这种情况下，“转换”和“解释”的区别是什么？ - Nawaz

转换意味着编程转换，例如将浮点值转换为整数。而“解释”意味着“我知道我说这是一个指向整数的指针，但实际上它不是，它是一个指向浮点数的指针，请按照这样对待”。 - jcoder

那又怎样呢？就理解它们的区别而言，这有何影响？我们现在学习的不是英语。当使用static_cast进行类型转换时，一个人可以说“我知道这是int，但是将其解释为float”。这有帮助吗？ - Nawaz

+1 - 这在概念上非常关键，尽管有一些解决方法，例如给定 int x，您可以使用 reinterpret_cast<float&>(x)，但不能使用 static_cast<float&>(x)，但可以链式调用 *static_cast<float*>(static_cast<void*>(&x))（请注意，any_cast 不是一个干净的替代品：您需要额外的解引用）。至关重要的是，static_cast<float>(x) 执行非常不同的操作：将值从 int 转换时进行四舍五入。 - Tony Delroy

Answer 5

据我了解，您的选择1（两个链接的static_cast）是可怕的未定义行为。 Static_cast仅保证将指针转换为void *，然后再转换回原始指针的方式可以正常工作，并且这两次转换的结果指向原始对象。所有其他转换都是未定义的。对于对象指针（用户定义类的实例），static_cast可能会改变指针值。

对于reinterpret_cast-它只会改变指针的类型，据我所知-它从不触碰指针值。

因此，从技术上讲，这两个选择是不等价的。

编辑：参考文献，static_cast在当前C++0x草案的第5.2.9节中进行描述（很抱歉，没有C ++03标准，我认为当前的草案是n3225.pdf）。它描述了所有允许的转换，我想任何未经特别列出的东西都是UB。因此，如果选择这样做，它可能会破坏您的计算机。

- Tomek

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未定义行为在什么情况下发生？这取决于数据类型！ - Nawaz

标准保证，类型* p 和类型* q = static_cast<type *>(static_cast<void *>(p)) 指向同一对象。现在做 static_cast<type2 *>(static_cast<void *>(p))，其中 type2 与 type 不同就是未定义行为（虽然它通常可以工作）。如果您尝试使用继承的静态转换链（特别是多重继承），您将会看到差异。 - Tomek

这是一个很好的观点！如果一个类使用多重继承，将静态转换为基类型指针不仅会改变类型 - 在某些情况下还会改变值。因此，在这个例子中，static_cast与reinterpret_cast在根本上是不同的。然而，@Nawaz的做法（首先转换为void*）可能仍然适用于他的“any_cast”。 - Brent Bradburn

static_cast和reinterpret_cast在将void*转换为另一种类型的指针时，都存在相同的未定义行为潜在问题。因此，"any_cast"可以完全替代reinterpret_cast来解决这个问题。 - Brent Bradburn

“它从不触及指针值。” 这是意图，但标准委员会忘记写下来。意图还包括2个静态= 1个重新解释。委员会也忘了。 - curiousguy

Answer 6

使用C风格的强制类型转换并不安全。它从不检查不同类型是否可以混合在一起。 C++强制类型转换可帮助确保按照相关对象进行类型转换（根据您使用的强制类型转换类型）。这比始终有害的传统C样式强制类型转换更推荐使用。

- Edwin

Answer 7

听着，各位，你们真的不需要reinterpret_cast、static_cast，甚至其他两种C++样式的转换（dynamic*和const）。

使用C样式的转换既更短又能让你做到这四种C++样式的转换所能做到的一切。

anyType someVar = (anyOtherType)otherVar;

那么为什么要使用C++风格的转换？可读性。其次：因为更严格的转换可以提高代码安全性。

*好的，你可能需要动态转换

- Alexander Rafferty

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C风格的强制类型转换不能取代dynamic_cast！ - Nawaz

这不是关于dynamic_cast的问题。它与C、static和reinterpret有关。此外，dynamic依赖于RTTI。 - Alexander Rafferty

你已经写了：“你实际上不需要reinterpret_cast、static_cast，甚至是另外两种C++风格的转换（动态和常量）。” - Nawaz

除了不使用语言中推荐的成语、掩盖程序员的意图和可能导致噩梦般的调试过程之外，也不要宣扬-1。 - underscore_d