C++ 显式类型转换

C 风格的 (T)expr 一个写法背后可能是四种完全不同的操作：数值转换、类层次导航、去除 const、位模式重解释。编译器遇到它时会按固定顺序依次尝试 const_cast、static_cast、static_cast 加 const_cast、reinterpret_cast、reinterpret_cast 加 const_cast，第一个能编译通过的就生效——写的人未必知道实际发生的是哪一种，读的人更无从判断风险，也没法用 grep 找出代码里所有的转换点。

C++ 把这四种语义拆成四个操作符，本质是要求程序员显式声明转换意图。意图不同，安全性、开销、审查方式完全不同：

static_cast：类型之间的值如何映射？——编译期的良定义转换
dynamic_cast：这个基类指针实际指向谁？——向运行期要答案
const_cast：cv 限定符能不能去掉？——唯一的 cv 后门
reinterpret_cast：这段内存换个视角看是什么？——位模式重解释

static_cast：编译期的良定义转换

static_cast 执行语言规则本身就允许的转换：数值类型互转、void* 往返、继承体系上溯、调用显式构造函数和转换运算符。全部工作在编译期完成，零运行时开销；编译器只检查转换是否合法，不保证结果是否正确。

struct Meter {
  explicit Meter(double v) : v_(v) {}
  double v_;
};

struct Base { virtual ~Base() = default; };
struct Derived : Base {};

double pi = 3.14;
int n = static_cast<int>(pi);       // 数值截断：3

Derived d;
Base* bp = static_cast<Base*>(&d);  // 上溯：恒安全

void* vp = static_cast<void*>(&d);
auto* dp = static_cast<Derived*>(vp);  // void* 往返

Meter m = static_cast<Meter>(3.5);  // 调用 explicit 构造

需要留意的是 static_cast 也能做下溯（基类指针转派生类指针），前提是程序员自己保证对象确实是目标类型——猜对了零开销，猜错了就是未定义行为。这正是它和 dynamic_cast 的分界线：下溯时类型已知用 static_cast，类型未知必须 dynamic_cast。

它做不了的事：去除 const（归 const_cast），无关联指针类型互转（归 reinterpret_cast）。

dynamic_cast：向运行期要答案

四种 cast 中唯一带运行期检查的。它借助 RTTI 回答一个问题：这个基类子对象实际上是不是目标类型？指针版本失败返回 nullptr，引用版本失败抛 std::bad_cast：

struct Base { virtual ~Base() = default; };
struct Derived : Base {};

void handle(Base* p) {
  if (auto* d = dynamic_cast<Derived*>(p)) {
    // p 确实指向 Derived（或其派生类）
  } else {
    // 转换失败：p 指向其他类型
  }
}

三个前提与代价：

要求多态类型：类中至少有一个虚函数，否则编译失败——RTTI 挂在虚表上。
有运行时开销：需要在继承图中查询，远比 static_cast 慢。
引用版本必须处理异常：std::bad_cast 无法静默忽略。

dynamic_cast 有一项独占能力：在多继承或虚继承体系中做交叉转换（cross-cast），即从一个基类子对象转到另一个无继承关系的基类子对象。这类转换编译期无法静态建立，只能靠运行期查询。

工程上的经验法则：dynamic_cast 零星出现是工具，成片出现是设计信号——本该用虚函数分派或 visitor 的地方，在用类型判断硬分支。

const_cast：唯一的 cv 后门

const_cast 只能做一件事：加、去 const 或 volatile 限定符，不能改变任何底层类型。它的合法场景基本只有两类。

对接没有标注 const 的旧接口。旧函数承诺只读但签名没写 const，去限定符只为通过编译：

#include <string>

void legacy_log(char* msg);  // 旧接口：只读，但未标 const

void log(const std::string& s) {
  // 去掉限定符只为调用，被调方绝不能写
  legacy_log(const_cast<char*>(s.c_str()));
}

const 重载之间的委托。经典的 const / 非 const 成员函数去重手法：const 版本把 this 去限定后复用非 const 实现，再把结果加回 const，逻辑只写一份：

#include <cstddef>
#include <vector>

class Buffer {
  std::vector<int> data_;
public:
  int& at(std::size_t i) { return data_[i]; }  // 真正实现

  const int& at(std::size_t i) const {
    return const_cast<const int&>(
      const_cast<Buffer*>(this)->at(i));
  }
};

危险点只有一个，但必须牢记：修改本体为 const 的对象是未定义行为。判断依据是对象的定义，而非指针的类型——const int x = 0; 哪怕骗过编译器拿到 int*，写它就是 UB；反过来，对象本体并非 const，通过 const 指针去限定后再写是合法的。

reinterpret_cast：位模式重解释

最不安全的转换：编译器不做任何检查，无条件按程序员的要求把位模式换个类型解释。它能做指针互转、指针与整数互转、函数指针互转，其余一概不管。

合法用途集中在底层编程：序列化与网络协议中的字节视图（char*、unsigned char* 别名本就是规则允许的）、用 uintptr_t 暂存指针值、placement new 的原始缓冲区：

#include <cstdint>
#include <new>

alignas(long) unsigned char buf[sizeof(long)];
// placement new 复用既有内存，无需 delete
long* p = new (buf) long{42};

// 以字节视图检查内存布局
auto* bytes = reinterpret_cast<unsigned char*>(p);

// 指针与整数互转（调试输出、句柄设计常用）
auto addr = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(p);

使用时记住三条边界：

转出去的指针唯一安全的用法是转回原类型再用；直接以新类型解引用，大多违反别名规则或对齐要求。
函数指针转换同理：可以转，但只能转回原签名后调用，中间形态不可调用。
结果依赖平台（指针宽度、字节序、对齐），可移植性全靠自己保证。

除非在写驱动、协议栈、序列化层，否则看到 reinterpret_cast 的第一反应应该是：有没有别的办法。

如何选择

flowchart TB
  Q{"转换意图"} --> A["去除 const/volatile"]
  Q --> B["无关联类型<br/>位级重解释"]
  Q --> C{"类层次导航"}
  A --> A1["const_cast"]:::cast
  B --> B1["reinterpret_cast"]:::cast
  C -->|"向上，或下溯且类型已知"| C1["static_cast"]:::cast
  C -->|"下溯，需运行期确认"| C2["dynamic_cast"]:::cast
  Q --> D["数值转换 / 显式构造"] --> C1

  classDef cast fill:#e3f2fd,stroke:#1565c0
  classDef intent fill:#fff3e0,stroke:#ef6c00
  class A,B,D intent

cast	回答的问题	安全性	运行时检查	典型场景
`static_cast`	值如何映射	中	无	数值转换、上溯、显式构造
`dynamic_cast`	实际指向谁	高	有	多态下溯、交叉转换
`const_cast`	cv 能否去掉	低	无	旧接口对接、const 委托
`reinterpret_cast`	位模式怎么读	极低	无	字节视图、指针整数互转