28.尽量避免转型操作

Posted on | In

（本节内容联系More Effective C++ 5 效果更佳）

前言

 
c++规则的设计目标之一就是：保证类型错误绝不可能发生。理论上而言，如果你的程序能很干净地通过编译，就说明了它并不企图在任何对象身上执行任何不安全、无意义、荒谬的操作。
但转型（cast)破坏了类型系统。在Java，C#，或C中，转型操作必要且较为安全（当然，安全是相对的），C++的转型则充斥着风险。

转型语法

旧式转型

1
2
(T)expression;//将expression转为T
T(expression);//将expression转为T

两者并无差别，无非是小括号的位置不同。

C++转型

C++提供了四种新式转型操作符：

  • const_cast(expression)
  • dynamic_cast(expression)
  • reinterpret_cast(expression)
  • static_cast(expression)

C++转型操作符介绍

  • const_cast：能够将对象的const属性去除，也只有它拥有该能力
  • dynamic_cast：主要用来执行“安全向下转型”，也就是用来决定某对象是否归属继承体系的某个类型。它是唯一一个无法由旧式语句转换的新类型转换，也是唯一一个可能耗费大量运行成本的转型操作。
  • reinterpret_cast：意图执行低级转型，实际动作可能取决于编译器，这一特性也就意味着不可移植。比如将一个pointer to int转为int，该转型操作在低级代码以外相当少见。
  • static_cast：强迫隐式转换，比如把non-const转为const，int转为double。它也可以作上述转换的反向转换，例如把pointer-to-base转为pointer-to-derived，或者把void*指针转为typed指针。但是没法把const转为non-const。

新旧转型的优劣以及使用时机

新式转型的优点

尽管旧式转型依然合法，但新式转型更受青睐。原因在于：

  1. 易于辨识
  2. 转型动作明确

何时采用旧式转型

一般来说，仅在需要调用一个explicit构造函数将一个对象传递给一个函数时使用旧式转型：

1
2
3
4
5
6
7
8
class Widget{
public:
    explicit Widget(int size);
    ...
};
void doSth(const Widget& w);
doSth(Widget(15));
doSth(static_cast<Widget>(15));

然而这种风格并不像是转型，更像是一种构造。但必须明确，这里其实执行的类型转换操作。

类型转换的意义

 
有人认为转型只不过告诉编译器把某种类型视为另一种类型，其他什么都没做，实际上这是不可能的
。将int转为double的时候编译器肯定生成了一些代码，因为int的底层描述与double的底层描述并不相同。再比如说：

1
2
3
4
class Base{...};
class Derived:public Base{...};
Derived d;
Base* pb = &d;//暗中将Derived*转为了Base*

我们建立了一个base指针指向derived class对象，但有时上述的两个指针值并不相同，这时会有一个偏移量在运行期间被施行于derived*指针，以取得正确的base*值。

上述案例表明，单一对象可能拥有多个地址（这在C，Java，C#中是不可能发生的）。如果在C++中使用多重继承，单一对象必然拥有多个地址，并且在单一继承下也可能存在多个地址。我们应该避免做出“对象在c++中如何布局”的假设，更不应该以某种假设为基础执行任何转型操作。

类型转换的误区

 
类型转换可能会导致我们易写出一些似是而非的代码，（它们在其他语言中可能是正确的）。

问题实例

许多应用框架都要求derived classes内的virtual函数第一件事就是调用base class的对应函数。下面给出一个具体实例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
class Window{
public:
    virtual void onResize() {...}
};
class SpecialWindows:public Window{
public:
    virtual void onResize(){//要求首先调用base class的对应函数
        static_cast<Window>(*this).onResize();//error！
        ...//执行专有操作
    }
}

我们确实成功地将它转为了Window对象，也确实调用了Window::onResize。但值得注意的是，调用的并不是当前对象上的函数，而是稍早转型动作建立的一个“*this对象之base class成分”的暂时副本身上的onResize(),也就是说当前对象内部的数据并没有改变，改变的是一个副本。(这个原理很简单，就是转型操作导致了一个临时Window对象被生成，我们在该临时对象身上调用了onResize，伴随着它的析构，这个操作就像没做一样，（*this)的bc成分根本没有改变）

解决方案

解决方案就是直接调用，不要使用转型操作：

1
2
3
4
5
6
7
class SpecialWindows:public Window{
public:
    virtual void onResize(){
        Window::onResize();
        ...//执行专有操作
    }
}

dynamic_cast探究

 
首先需要强调的是，dynamic_cast执行速度相当缓慢，如果继承层次很深或者存在多继承的情况下使用dynamic_cast，可能对性能的冲击极大，请谨慎使用！

dynamic_cast功能

之所以需要使用dynamic_cast，主要是因为我们需要在一个derived class对象身上执行derived class专属操作，但偏偏我们目前只有一个指向base的pointer或reference.

如何避免使用dynamic_cast

使用容器,并指定其存储的元素类型为指向derived class对象的指针

举例而言，假设在之前的体系中，SpecialWindow有一个特有操作：闪烁

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
class Window{...};
class SpecialWindows:public Window{
public: 
    void blink();
    ...
};
//需要闪烁所有可以闪烁的窗口
typedef vector<shared_ptr<Window> > VPW;
VPW winPtrs;
...
//使用dynamic_cast
for(auto it=winPtrs.begin();it!=winPtrs.end();++it){
    //赋值，检测其返回值不为nullptr
    if(SpecialWindow *psw = dynamic_cast<SpecialWindows*>(iter->get()))
        psw->blink();
}

应该改为在容器内存在指向dc的smart_ptr:
1
2
3
4
5
6
typedef vector<shared_ptr<SpecialWindow> > VPSW;
VPSW winPtrs;
...
for(auto it=winPtrs.begin();it!=winPtrs.end();++it){
    (*iter)->blink();
}

不过，这种做法无法在同一个容器内存储指向所有派生类的指针。

通过base接口处理所有可能的派生类

具体来说，就是在基类中声明所有派生类所具备的特殊函数，然后提供一份空白实现。（这种方法十分恶劣，违背了面向对象准则）

dynamic_cast禁区

绝对必须避免的是连锁式使用dynamic_cast，其运行效率极低且缺乏维护性。这种程序总应该被某种基于virtual函数调用的方法取而代之。

总结

 
优秀的c++代码很少使用转型，但完全摆脱它们也不切实际。我们要做的只能是尽可能隔绝转型动作，把他们隐藏在某个函数内。