【C++】Type punning类型双关、union联合体、C++中的类型转换casting

二十、Type punning类型双关、union联合体、C++中的类型转换casting

1、什么是数据类型？
我们知道C++是一门强类型语言，它有一个数据类型系统，而且类型是强制要求的。
当我们创建变量的时候，我们必须声明变量的类型，因为声明变量类型是由编译器强制执行的，你不声明类型，编译就过不去。

为什么要这么执拗呢，我不声明类型不行嘛？不行！因为类型系统绝对是有其存在的理由的，你绕开类型系统，对这块内存随性操作，是非常容易引发很多潜在的风险和问题的。在我这篇博文 【C++】深度理解C++数据类型：常量、变量、数组、字符串、指针、函数_c++ 字符串常量-CSDN博客 中的开头就长篇大论的介绍了数据类型的存在意义。

2、什么是类型转换？
就是必须在C++可用的类型系统中进行类型转换。比如，如果我把某个对象设置为Int类型，那我得把这个对象当作int类型来操作，不能突然把它当作double或float来处理，除非有一个简单的隐式转换。

隐式转换就是C++将一个对象，从一种类型转换成另外一种类型，这个转换过程中没有数据损失。这个隐式转换是编译器自动执行的，程序员无需care，是安全的。也就是说这个过程对程序员来说是无感的，程序员不需要特别的说明。比如下面的例子：

除了隐式转换，我们也可以显式转换，就是程序员需要告诉C++编译器，命令编译器把某个对象的类型从其原来的类型转化为别的类型。
实现显式类型转换至少有两类途径：
一是C风格的类型转换。就是下面的小标题3：type punning 和 小标题4：union联合体。
二是C++风格的类型转换。就是下面的小标题5，casting,强制转换。

3、类型双关（Type punning）
类型双关是C中的、显式的、程序员强制进行的类型转换方式。C中的Type punning操作是指，绕过类型系统，直接操作内存，以提高性能或实现特定的低级别功能。从另外一个角度说就是，我可以把我拥有的这段内存，当作不同类型的内存来对待。这种做法是在某些低级场景中使用的技巧。这些技巧是要慎重使用的，因为类型系统绝对是有其存在的理由的，你绕开类型系统，对这块内存随性操作，是非常容易引发很多潜在的风险和问题的。建议非不得已才使用，要谨慎使用。

但是假如是这样的场景：现在我们知道有一块内存，并且知道这块内存中存储的是什么数据类型、而且知道这块内存中没有指向其他地方的指针。我现在就是希望把这块内存作为一个字节数组，然后将它流出来(字节流)放到其他地方存储。这种情况下，C的效率是最高的，因为C可以实现这种最原始的、最底层的访问。此时要完成这个任务，我们可以通过Type punning编程技巧，绕过类型系统，直接操作内存，非常高效的完成这个非常底层的工作。

下面就介绍几种类型双关的用法：
（1）通过指针强制转换

上例一是C++的隐式转换，是由类型系统自动完成的。
上例二就是程序员强制的、C风格的转换。用指针拷贝一个内存块，是类型双关的一种使用方式。就是你没有走C++的类型系统，你绕开了类型系统，你自己自作主张把a(占4个字节块的int块)的首地址拿出来，然后把这个首地址强制转化为double*指针。你再解引用这个指针时，编译器看到这是double*指针，自然是从这个指针指的首地址开始往下复制8个字节的二进制数据，然后赋值给变量b。当你cout b时，也就是解析b时，就是把这8个字节流当double类型解析的，那自然就是乱码了。

可见当你通过指针强制转换一个内存块后，再通过解引用指针去拷贝这个内存块到另外一个地方时，你拷贝的就是没有通过类型解析的纯纯的原始二进制字节流，而且拷贝的长度可能都有问题，因为你强制转化了类型了嘛，类型其中一个重要的信息就是这个数据的长度嘛，所以你长度可能都搞错了。当你拷贝完毕后想解析你拷贝的字节流时，系统就以为你拷贝的这个字节流原本就是double块，所以现在也按照double类型来解析，结果就大错特错了。

隐式类型转换是安全的，显式类型转换是有风险的，C语言之所以增加强制类型转换的语法，就是为了强调风险，让程序员意识到自己在做什么。

（2）通过引用转换

C风格的强制类型转换统一使用()，而()在代码中随处可见，所以也不利于使用文本检索工具定位关键代码，风险追溯都很难，所以程序员一定要知道自己在干什么。

（3）利用结构体的特点进行转换

上图中的3:
&e 表示拿到结构体e的首地址；
(char*)&e 表示将e的首地址强制转化为char*指针；
(char*)&e +4 这是指针运算，表示把char*指针往后移动4个字节，也就是变量y的首地址；
(int*)((char*)&e +4) 表示把y的首地址强制转化为int*指针； *(int*)((char*)&e +4) 表示解引用int*指针。
解引用完毕，将值赋值给变量z，打印z也是8。

补充：结构体中的属性对象的存储方式：
上面例子的结构体中的两个属性对象x,y都是int类型的，所以可以看成数组。其实情况并不总是这样的，我们看下面这个例子：

从上例可以看成char类型对象竟然也分配了4个字节。其实结构体在内存分配中还有一个内存对齐的操作，所以你在取数据时一定得看清楚，一不小心就错了。关于内存对齐，在我之前写C语言 【C语言学习笔记】八、结构体_c语言结构体笔记-CSDN博客 时也提到过，感兴趣得可以自行查看。

上面的例子都是C的最原始的内存操作，也正是有了这些任性自如的内存操作，使得C、C++成为最为高效的编程语言。但是如果没有极大需求的情况下，上述代码尽量、永远不要出现在实际的应用程序中，除非你使用后有极大的好处。

如果说上面的都是一些骚操作，那类型双关的最安全、最正确道路就是使用联合体和C++内置的类型转换。其中联合体见下面的小标题4，C++内置的类型转换见下面小标题5。

4、union(联合体、共用体)
联合体有点像类类型或者结构体类型，只不过它一次只能占用一个成员的内存。比如下图是我在一个联合体对象中，声明了4个不同类型的对象：a,b,c,d，此时这4个对象的大小都是8个字节(以最大的那个对象的长度为长度)。当我修改abcd中的任意一个对象的值，abcd的值都随之改变，因为它们共享一个内存块。
（1）联合体的工作原理：

意思就是这8个字节，我可以有4种处理方法，我可以放int类型，也可以放char类型，也可以放float类型，还可以放double类型。
我们可以像使用类或者结构体一样使用联合体，可以给联合体添加静态函数或者普通函数、方法等等。但是你不能使用虚方法，还是有一些限制的。

（2）union经常是匿名使用的，但是匿名union不能含有成员函数

这就是匿名union，一般和结构体结合使用。上图的结构体就只有4个字节。这4个字节可以存放一个int型，或者存放一个float类型，或者存放一个char类型的。但不管存哪种类型，都是只能存一个。

（3）通常需要类型双关时，我们才使用联合体
就是你想让同一块内存块可以表示不同数据类型时，使用联合体就非常合适。或者说当你想给同一个变量取两个不同类型的名字时，它就真的很有用。

从上面例子可以看出，当你想用多种方法来处理相同的数据时，使用union的可读性就更强。

再比如下图的vector(x, y, z, w)，我还想叫它vector(r, g, b)，其中r对应的是x和y, g对应z, b对应w。这个需求可以通过union来实现：

5、C++风格的类型转换casting
为了避免C风格简单粗暴的类型转换可能出现的种种问题，为了能安全、可追溯、无损的进行类型转换，虽然会增加一点点开销，还是建议大家使用C++中的类型转换：static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast 使用这四个关键字分门别类的进行类型转换。

C++将类型转换细化分成了四类：
static_cast：静态类型转化
dynamic_cast：动态类型转化，仅适用于C++，不能在C中使用。
reinterpret_cast：将内存重新解释为其他的类型，就类似C风格的(),里面写你的新类型，所以C可以做到的type punning,reinterpert_cast都可以。
const_cast：移除或者添加变量的const修饰符。

这种将类型转化继续细化、分类，并分门别类的支持，这种做法的好处是，一是可以进行检查，二是可以在代码库中搜索我到底是在哪里进行了类型转换，可以追溯问题。
所以，C++也并不是在C的基础上添加什么新功能，只是添加了一些语法糖到你的代码中，比如进行编译检查时，如果转换不成功会返回NULL，也所以是会有一点点开销的，就是会让你的程序慢下来一点点。

(1)static_cast

在编译时，编译器对变量a进行类型转换，从double转成int,然后再和5.5相加。此时又会默认把int a再隐式转换成double，再和5.5相加，结果赋值给变量c。

(2)dynamic_cast
dynamic_cast是专门用于沿继承层次结构进行的强制类型转换。dynamic_cast可以在运行时查看转换是否成功，如果转换失败会返回一个NULL指针：

上面例子中，对象d是类Derived的实例，而Derived类又是Base类的子类，所以可以把d赋值给b。
但是要像C那样简单粗暴的将b转化为AnotherClass类型就不行！因为b现在是Base类型，AnotherClass继承了Base，Derived也继承了Base，所以b到底是AnotherClass还是Derived的实例，我们都没法说清楚，所以b是无法通过C风格转化为AnotherClass类型的。
但是b可以被dynamic_cast转化为Derived类型，是因为dynamic_cast存储了所有类型的**运行时类型信息RTTI(runtime type information)**。所以dynamic_cast知道b本来就是d赋值的，所以b是可以转化为Derived类型的。而b是永远无法转化为AnotherClass类型的，所以返回的是NULL指针。

dynamic_cast是在程序运行时进行类型转换。所以可以让我们做动态类型转换之类的事情。但是同时你也要知道，由于dynamic_cast存储着所有类型的运行时类型信息RTTI，所以是一是有一定的运行成本的，二是需要时间开销的，因为它需要检查类型信息是否匹配。如果你对你的代码有绝对的把握，绝对不会在类型转换时出现像崩溃等这种意想不到的事情，你也不想有这些额外的开支，你可关闭RTTI状态：

说明：我们一般是不会关闭RTTI的，因为虽然会带来一些开销，但是减少了像系统崩溃的这种意想不到的问题。

reinterpret_cast和C风格的用法一样。const_cast只是添加或者移除const修饰词，都非常简单，这里就不展开了。总之，这些C++内置的类型转换会让转换更加可靠，因为它们会进行检查，你的代码会更加可靠。而使用C风格的指针，只是强行将指针指向的内容解释成别的东西，非常容易出现风险。