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C++转换函数

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Boost的转换函数是对C++中的四种类型转换函数(const_cast,reinterpret_cast,static_cast,dynamic_cast)的一些补充和扩展,在阅读本文前,请先熟悉C++中的四种类型转换函数相关知识。

polymorphic_cast

C++提供了dynamic_cast来实现运行时的类型转换,但是如果用来转换指针时,需要记得检查返回值(这是很多程序员容易忘掉的地方),否则一旦转换失败,将获得一个NULL指针,无异于给程序埋下了一个定时炸弹。

Boost的polymorphic_cast在dynamic_cast的基础上增加了对返回值的检测,如果转换失败,它就会抛出std::bad_cast异常。其函数体如下:

template <class Target, class Source>
inline Target polymorphic_cast(Source* x BOOST_EXPLICIT_DEFAULT_TARGET)
{
    Target tmp = dynamic_cast<Target>(x);
    if ( tmp == 0 ) throw std::bad_cast();
    return tmp;
}

虽然抛异常增加了开销,但使用起来却更加简单了。

polymorphic_downcast

由于抛出异常会降低程序的效率,而且dynamic_cast更会查询一个type_info结构来确定正确的类型,所以不管是空间上的成本还是时间上的成本,都会大大增加。在一些应用场景中,只需要在编译期间进行类型转换即可。这时我们可以使用static_cast来实现编译期间的类型转换,但static_cast可能导致错误的类型转换:

struct A
{
    virtual ~A(){}
};

class B:public A{};
class C:public A{};

int main()
{
    A *pa = new C();
    B *pb = static_cast<B*>(pa);
}

对于上述程序,虽然pa和pb间没有继承关系,但是这个转换却可以通过,运行时也不会报任何错误,可一旦对pb进行访问,就会得到错误的结果甚至直接导致程序死掉。

polymorphic_downcast就巧妙的解决的这一问题,首先还是先看看它的定义:

template <class Target, class Source>
inline Target polymorphic_downcast(Source* x BOOST_EXPLICIT_DEFAULT_TARGET)
{
    BOOST_ASSERT( dynamic_cast<Target>(x) == x ); // detect logic error
    return static_cast<Target>(x);
}

从它的定义可以看出,在运行Release模式下,它和是static_cast一样的,也就是说它的Release版具有和static_cast一样的开销。但在Debug模式下,它会首先进行一次动态转换,而一旦类型不匹配,就会抛出异常。

在上述程序中,如果用polymorphic_downcast来替换static_cast的话,我们可以先在Debug模式下运行程序,如果有错误的类型转换,将很容易的检测出来。待改正所有的错误后,再发布Release版,这样即没有动态转换造成的开销,又杜绝了错误的类型转换。

boost::numeric_cast

在c++中,我们经常需要把不同类型的数字互相转换,如将一个数字在long和short之间转换。但由于各数字的精度不同,当一个数字从"大"类型到"小"类型就可能导致转换失败,如下所示:

long n1 = 99999999;
short n2 = static_cast<short>(n1);

对于如上转换,n2得到的是一个负数,显然这个不是我们所期望的,并且这种运行时的错误是很难检测的,一旦使用了这个错误的转换后的数据,后果不堪设想。

boost::numeric_cast可以帮助我们解决这一问题,对于上面的转换,boost::numeric_cast会抛出一个boost:: bad_numeric_cast这个异常对象。从而保证转换后值的有效性。上述代码可以改写为如下:

try
{
    long n1 = 99999999;
    short n2 = boost::numeric_cast<short>(n1);
}
catch(boost::bad_numeric_cast&)
{
    std::cout<<"The conversion failed"<<std::endl;
}

numeric_cast是如何知道这样的数字转换失败的呢?numeric_cast合理的应用了std::numeric_limits<>,而std::numeric_limits<>就是内建数字类型的type_tratis。当然也可以将自己定义的数字抽象类型添加到std::numeric_limits<>的特化版本中,这样numeric_cast就可以作用于自定义的类型了。由于相对复杂点,本文是介绍其功能和用法,就不分析其源码了,感兴趣的朋友可以参看boost文档和代码。

对于numeric_cast的使用也是有些要求的。

其实对我们用的系统内置的数字来说,这几条都不是限制,只有我们在需要通过它转换自定义的数据类型时,才需要注意,否则编译不通过(其实这个错误还比较好发现和解决)。

boost::lexical_cast

在C/C++程序开发中,往往需要将数字型对象的值转换为字符文本格式,或反之操作。虽然C语言就提供了不少系统函数来进行这种操作,如scanf、atoi等。这些函数小巧简洁,使用很方便,但缺少扩展性。在std中引入了stringstream来以一个通用的方式实现各种转换,但缺少对错误转换的检测。而boost::lexical_cast是在stringstream上的一个扩展,增加了对错误的类型转换的检测:

#include <string>
#include <iostream>
#include <boost/lexical_cast.hpp>

using namespace std;

int main()
{     
    try
    {
        int i = 100;
        string str = boost::lexical_cast<string>(i);
        cout<<"The string is:"<<str<<endl;
        str = "error";
        i = boost::lexical_cast<int>(str);
    }
    catch(boost::bad_lexical_cast& exobj)
    {
        cout<<"Convert err:"<<endl;
        cout<<exobj.what()<<endl;
    }
}

在上述转换中,第二个转换从"err"到int的转换是失败的,会抛出一个boost::bad_lexical_cast的异常,从而能帮助我们构造更安全稳定的程序。

boost::lexical_cast内部实现其实也是一个stringstream的封装,其函数简化如下:

template<typename Target,typename Source>
Target lexical_cast(Source arg){
    detail::lexical_stream<Target,Source> interpreter;
    Target result;
    if(!(interpreter<<arg && interpreter>>result))
        throw_exception(bad_lexical_cast(typeid(Target),typeid(Source)));
    return result;
}

其中lexical_stream<>对字符串流做了一系列的包装,主要提供了operator<<(Source)和operator>>(Target)操作,用于判断操作是否成功。

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