static_cast 安全性

Question

static_cast 安全性

c++castingstatic-cast

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据我所知，对于指针/引用的static_cast，如果编译器此时无法看到类的定义，则static_cast将像reinterpret_cast一样行事。

static_cast为什么对于数值类型是安全的，而对于指针/引用不安全呢？

- dimba

2个回答

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不，你的“AFAIK”是不正确的。static_cast从来不像reinterpret_cast那样行为（除非，也许当你转换为void *时，尽管这种转换通常不应由reinterpret_cast执行）。

首先，当static_cast用于指针或引用转换时，static_cast的规范明确要求类型之间存在某种关系，并且该关系已知于static_cast。对于类类型，它们应该被static_cast视为继承关系。如果没有在static_cast的点上完全定义两个类型，则无法满足该要求。因此，如果定义在static_cast的点上不可见，则代码将无法编译。

以下是一些示例来说明上述内容：static_cast可以[多余地]用于执行对象指针向上转换。代码：

Derived *derived = /* whatever */;
Base *base = static_cast<Base *>(derived);

只有当以下代码可编译时，才能编译此代码。

Base *base(derived);

为了编译这个代码，需要同时看到这两种类型的定义。

此外，static_cast 可以用于执行对象指针向下转换。代码如下：

Base *base = /* whatever */;
Derived *derived = static_cast<Derived *>(base);

只有在以下代码可以编译的情况下，才能编译此代码。

Base *base(derived); // reverse direction

再次说明，为了进行编译，这两种类型的定义都必须可见。

因此，您无法使用未定义的类型来使用 static_cast。如果您的编译器允许这样做，那么这是您的编译器中的错误。

static_cast 对于指针/引用可能不安全，原因完全不同。 static_cast 可以对对象指针/引用类型执行分层向下转换而不检查对象的实际动态类型。 static_cast 还可以对方法指针类型执行分层向上转换。如果不小心使用这些未经检查的转换结果，可能会导致未定义的行为。

其次，当使用 static_cast 与算术类型一起使用时，语义完全不同，并且与上述内容无关。它只执行算术类型转换。只要符合您的意图，它们始终是完全安全的（除了范围问题）。事实上，避免在算术转换中使用 static_cast 并改用旧的 C 风格转换可能是一种良好的编程风格，这样可以在源代码中提供清晰的区分，使其区分开始终安全的算术转换和潜在不安全的分层指针/引用转换。

- AnT stands with Russia

“使用旧的C风格转换而不是” - 这通常也是我所做的，但是然后有人抱怨，我们最终争论是否存在他们认为是邪恶的C风格转换和他们完全满意的单参数构造函数之间的任何区别;-) - Steve Jessop

那么，如果 static_cast 对未定义的指针/引用不进行编译，这种类型的转换就可以被视为安全了吗？ - dimba

@idimba：嗯...我很难将“安全”和“不安全”的概念应用于无法编译的代码。我甚至会说这没有多大意义。 - AnT stands with Russia

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可以查看英文原文，
原文链接

- Steve Jessop · Accepted Answer

简而言之，是因为多重继承。

详细地说：

#include <iostream>

struct A { int a; };
struct B { int b; };
struct C : A, B { int c; };

int main() {
    C c;
    std::cout << "C is at : " << (void*)(&c) << "\n";
    std::cout << "B is at : " << (void*)static_cast<B*>(&c) << "\n";
    std::cout << "A is at : " << (void*)static_cast<A*>(&c) << "\n";

}

输出：

C is at : 0x22ccd0
B is at : 0x22ccd4
A is at : 0x22ccd0

请注意，为了正确转换为B*，static_cast必须更改指针值。如果编译器没有C类定义，则不会知道B是一个基类，当然也不会知道要应用什么偏移量。

但在没有定义可见的情况下，static_cast不像reinterpret_cast那样行为不受限制。

struct D;
struct E;

int main() {
    E *p1 = 0;
    D *p2 = static_cast<D*>(p1); // doesn't compile
    D *p3 = reinterpret_cast<D*>(p1); // compiles, but isn't very useful
}

一个简单的C风格转换，(B*)(&c)做你说的事情：如果结构体C的定义可见，显示B是基类，则与static_cast相同。如果类型仅前向声明，则与reinterpret_cast相同。这是因为它被设计为与C兼容，这意味着在C中可能的情况下必须执行C所做的操作。

static_cast总是知道如何处理内置类型，这确实是内置类型的含义。它可以将int转换为float等。因此，对于数值类型来说，它始终是安全的，但它不能转换指针，除非（a）它知道它们指向什么，（b）指向类型之间有正确的关系。因此，它可以将int转换为float，但不能将int*转换为float*。

正如AndreyT所说，有一种方法可以不安全地使用static_cast，编译器可能无法为您保存，因为代码是合法的：

A a;
C *cp = static_cast<C*>(&a); // compiles, undefined behaviour

其中，static_cast 可以“向下转换”指向派生类（在此情况下，C是A的派生类）的指针。但是，如果被引用的对象实际上并不是派生类，那么你就错了。一个 dynamic_cast 会在运行时执行检查，但是对于我的示例类C，你不能使用 dynamic_cast，因为A没有虚函数。

同样地，你可以使用 static_cast 对 void* 进行不安全的操作。