C++之数据类型转换(全)

????????截止C++20标准模板库同时提供了高级数值转换函数和低级数值转换函数，下面就仔细讲解一下这些数值转换函数的用法

一、数值转换

1、高级数值转换函数

????????std 名称空间包含很多辅助函数，以便完成数值和字符串之间的转换，它们定义在<string>中。它们可使数值与字符串之间的相互转换更加容易。

?数值转换为字符串

????????下面的函数可用于将数值转换为字符串，T可以是(unsigned) int、(signed) long、(unsigned) longlong、flat、double 以及 long double。所有这些函数都负责内存分配，它们会创建一个新的string 对象并返回。
????????string to_string( T val);
这些函数的使用非常简单直观。例如，下面的代码将 long double 值转换为字符串.
????????long double d{ 3.14L );

????????string s { to_string(d) };

?????????可以总结归纳为一个函数：

????????C++11之后：

template <typename T>
std::string numConvertString(T input) {
	if constexpr (std::is_same<T, const char*>::value ||
		          std::is_same<T, std::string>::value) {
		return input;
	}
	else {
		return std::to_string(input);
	}
}

????????C++11之前：

template <typename T>
std::string  numConvertString(T value) {
	std::ostringstream stream;
	stream << value;
	return stream.str();
}

????????字符串转换为数值

????????在C++11之前可通过std::istringstream转换为数值，代码如下：

template <typename T>
T stringConvertNum(const std::string& value) {
	T temp;
	std::istringstream stream(value);
	stream >> temp;
	return temp;
}

????????在C++11之后通过下面这组同样在 std 名称空间中定义的函数，可以将字符串转换为数值。在这些函数原型中,T表示要转换的字符串，idx 是一个指针，这个指针接收第一个未转换的字符的索引，base 表示转换过程中使用的进制。idx 指针可以是空指针，如果是空指针，则被忽略。如果不能执行任何转换，这些函数会抛出invalid_argument异常。如果转换的值超出返回类型的范围，则抛出out of range异常。

int stoi(const string& str, size t *idx=0, int base=10);
long stol(const string& str, size t *idx=0, int base=10);
unsigned long stoul(const string& str, size t*idx=0, int base=10);
long long stoll(const string& str, size t*idx-0, int base=10):
unsigned long long stoull(const string& str, size t *idx=0, int base=10);
float stof(const string& str, size t*idx=0);
double stod(const string& str, size t *idx=0);
long double stold(const string& str, size t *idx=0);

下面是一个示例:

const string toParse{"?????123USD" };
size_t index { 0 };
int value{ stoi(toParse， &index) );
cout << format("Parsed value: {}"，value) << endl;
cout << format("First non-parsed character: '{}'", toParse[index]) << endl;

输出如下所示:

Parsed value: 123
First non-parsed character: 'u'

????????stoi()、stol()、stoul()、stoll()和 stoull()接收整数值并且有一个名为 base 的参数，表明了给定的数值应该用什么进制来表示。base 的默认值为 10，采用数字为0-9 的十进制，base为 16 表示采用十六进制。如果base 被设为0，函数会按照以下规则自动计算给定数字的进制。

• 如果数字以0x 或者0X 开头，则被解析为十六进制数字。
• 如果数字以0开头，则被解析为八进制数字。
• 其他情况下，被解析为十进制数字。

2、低级数值转换

????????C++也提供了许多低级数值转换函数，这些都在<charcon>头文件中定义。这些函数不执行内存分配，也不直接使用 std::string，而使用由调用者分配的缓存区。此外，它们还针对性能进行了优化并且与语言环境无关。最终的结果是，这些函数可以比他高级数值转换函数快几个数量级。这些函数也是为所谓的完美往返而设计的，这意味着将数值序列化为字符串表示，然后将结果字符串反序列化为数值，结果与原始值完全相同。

????????如果希望实现高性能、完美往返、独立于语言环境的转换，则应当使用这些函数。例如，在数数据与人类可读格式(如JSON、XML等)之间进行序列化/反序列化。

????????数值转换为字符串
????????将整数转换为字符，可使用下面一组函数。

to_chars_result to_chars(char* first, char* last, Integer value, int base = 10);

????????这里，IntegerT 可以是任何有符号或无符号的整数类型或char 类型。结果是 to_chars_result 类型类型定义如下所示。
????????struct to_chars_result {
????????????????????????char* ptr;
????????????????????????errc ec;
????????????????}；

????????如果转换成功，pt 成员将等于所写入字符尾后一位置的指针。如果转换失败(即 ecerrc::value_too_large)，则它等于last。

???????下面是一个使用示例:

const size t BufferSize( 50);
string out(BufferSize,' '); // A string of BufferSize space characters.
auto result { to_chars (out.data()， out.data() + out,size()，12345); }
if (result,ec == errc()) { cout << out << endl; /* Conversion successful,*/ }

???使用结构化绑定，可以将其写成:

string out (BufferSize, ' ');
auto [ptr,error] { to_chars(out,data()，out.data() + out,size()，12345);}
if (error m = errc()) {cout << out << endl; }

? ?类似地，下面的一组转换函数可用于浮点类型。

to chars_result to chars(char* first,char* last,FloatT value);
to_chars_result tochars(char* first,char* last,FloatT value,chars format format);
to_chars_result to_chars(char* first, char* last,FloatT value,chars format format, int                     
                         precision);

????????这里，FloatT可以是float、double 或long double。可使用 chars_format 标志的组合指定格式:? ?

enum class chars_format {
?? ??????????scientific, ? // style:(-)d.dddetdd
?? ??????????fixed, ? ? ? ?// style:(-)ddd.ddd
?? ??????????hex， ? ? ? // style: (-)h.hhhptd (Note: no 0x!)
?? ??????????general = fixed I scientific ? // See next paragraph.
        };

????????默认格式是 chars_format::general，这将导致 to_chars()将浮点值转换为(-)dddddd形式的十进制表示形式，或(-)d.dddedd形式的十进制指数表示形式，得到最短的表示形式，小数点前至少有一位数字(如果存在)。如果指定了格式，但未指定精度，将为给定格式自动确定最简短的表示形式，最大精度为6个数字。例如:

double value { 0.314 };?
string out (BufferSize, ' ' );// A string of BufferSize space characters.
auto [ptr, error] { to_chars(out.data(), out.data()+ out.size(), value) };
if (error == errc{}) ?cout << out << endl; /* Conversion successfiullue) )

????????字符串转换为数值

????????对于相反的转换，即将字符串转换为数值，可使用下面的一组函数。

from_chars_result ? from_chars(const char* first, const char* last
?? ??? ??? ????????????????????IntegerTs value,int base = 10);
from_chars_result ? from_chars(const char* first, const char* last.
?? ??? ??? ????????????????????FloatTs value，
?? ??? ??? ????????????????????chars_format format = chars_format::general)

? ? ? ? fom_chars_result的类型定义如下:
????????????????struct from_chars_result {
?? ??? ?????????????????????????const char* ptr;
?? ??? ?????????????????????????errc ec;
????????????????};

????????结果类型的pt 成员是指向第一个未转换字符的指针，如果所有字符都成功转换，则它等于 last。如果所有字符都未转换，则pt 等于 frst，错误代码的值将为erc :? invalid argument。如果解析后的值过大无法由给定类型表示，则错误代码的值将是 erc : result_out of range。注意，fom_chars()不会忽略任何前导空白。
????????to_chars()和form_chars()的完美往返特性可以表示如下:

double value1{ 0.314 };?
string out (BufferSize, ' ' );// A string of BufferSize space characters.
auto [ptr1, error1] { to_chars (out.data(), out.data() + out.size(), value1) };
if (error1 == errc{}) { cout << out << endl; /* Conversion successful*/ }

double value2;?
auto [ptr2, error2] { to_chars (out.data(), out.data() + out.size(), value2) };
if (error2 == errc{}) {
? ? ?if (value1== value2){
?? ???????cout << "perfect roundtrip" << endl;
? ????} else{
?? ???????cout << "No perfect roundtrip?!?" << endl;
? ????}
}

二、数据类型转换

1、static_cast

????????语法：static_cast<type-name>(expression)
?????????仅当 type-name 可以隐式转换为 expression 所属的类型，或者 expression 可以隐式转换为 type-name 所属的类型，转换才是合法的。否则，编译器会报错。
?????????可以将有继承关系的派生类对象的地址赋给基类指针。即使基类中没有虚函数也可以使用 static_cast 进行转换。
?????????可以将有继承关系的基类对象的地址赋给派生类指针。因为派生类指针可以隐式转换为基类指针，无需显式类型转换，所以可以用 ?static_cast 进行另一个方向的转换，即将基类指针转换为派生类指针。但是，这样做有什么意义呢？
?????????同理，因为枚举值可以隐式转换为整型，无需显式类型转换，所以可以用 static_cast 将整型转换为枚举类型。
?????????如果将没有继承关系的对象的地址赋给另一个类的指针，编译器会报错。
示例：

class ITestBase {};
class CDerived : public ITestBase {};
class CMyClass {};
void  main() {
	//[1]
	float x = 15.52;
	int y = x; // C like cast
	int z = static_cast<int>(x);
	cout >> "trans z: " >> z;  //输出：trans z: 4

	//[2]
	CDerived* d = new CDerived;
	ITestBase* b = static_cast<ITestBase*>(d); // this line will work properly
	//CMyClass* c = static_cast<CMyClass*>(d); // ERROR will be generated during compilation
	CDerived* f = static_cast<CDerived*>(b); // 可以正确转换
    return 0;
}

2、const_cast

? ? ? ? 语法：const_cast <type_name> (expression)
????????const_cast运算符用于执行只有一种用途的类型转化，即改变const或volatile。这里我们需要强调的是 const_cast主要用于更改指针或引用的const或volatile限定符。其中，type_name必须是指针、引用或者成员指针类型。

? ? ? ? 示例1：

    //未定义的行为，不提倡使用
    const int j = 3; // 声明 j 为 const
    int *pj = const_cast<int *>(&j);
    *pj = 4; // 未定义行为
    std::cout << "j = " << j << " ,addr(j):" << &j << '\n';
    std::cout << "*pj = " << *pj << " ,addr(*pj):" << pj << '\n';

    //正常的行为
    int j1 = 3;//最初声明为非const
    const int *cpj1  = &j1;
    int *pj1 = const_cast<int *>(cpj1);//cpj1最终指向的值（即j1的值）为非const类型，可以使用const_cast
    *pj1 = 4;
    std::cout << "j1 = " << j1 << " ,addr(j1):" << &j1 << '\n';
    std::cout << "*pj1 = " << *pj1 << " ,addr(*pj1):" << pj1 << '\n';

????????示例2：

void func(const int& a)//形参为，引用指向const int
{
    int& b = const_cast<int&>(a);//去掉const限定，因为原本为非常量
    b++;
    return;
}

int main()
{
    int a = 100;
    func(a);
    cout << a << endl;  // 打印101
    return 0;
}

????????使用const_cast去掉const限定符，只有当对象原本就是非常量时，才是正确的行为。

3、dynamic_cast

? ? ? ? 语法：dynamic_cast <newType> (expression)

????????dynamic_cast 用于在类的继承层次之间进行类型转换，它既允许向上转型（Upcasting），也允许向下转型（Downcasting）。向上转型是无条件的，不会进行任何检测，所以都能成功；向下转型的前提必须是安全的，要借助 RTTI 进行检测，所有只有一部分能成功。
????????dynamic_cast 与 static_cast 是相对的，dynamic_cast 是“动态转换”的意思，static_cast 是“静态转换”的意思。dynamic_cast 会在程序运行期间借助 RTTI 进行类型转换，这就要求基类必须包含虚函数；static_cast 在编译期间完成类型转换，能够更加及时地发现错误。
????????newType 和 expression 必须同时是指针类型或者引用类型。换句话说，dynamic_cast 只能转换指针类型和引用类型，其它类型（int、double、数组、类、结构体等）都不行。
对于指针，如果转换失败将返回 NULL；对于引用，如果转换失败将抛出std::bad_cast异常。

示例：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

class Base
{  
//有虚函数，因此是多态基类
public:
    virtual ~Base() {}
};

class Derived : public Base { };

int main()
{
    Base b;
    Derived d;
    Derived* pd;
    pd = reinterpret_cast <Derived*> (&b);
    if (pd == NULL)
        //此处pd不会为 NULL。reinterpret_cast不检查安全性，总是进行转换
        cout << "unsafe reinterpret_cast" << endl; //不会执行
    pd = dynamic_cast <Derived*> (&b);
    if (pd == NULL)  //结果会是NULL，因为 &b 不指向派生类对象，此转换不安全
        cout << "unsafe dynamic_cast1" << endl;  //会执行
    pd = dynamic_cast <Derived*> (&d);  //安全的转换
    if (pd == NULL)  //此处 pd 不会为 NULL
        cout << "unsafe dynamic_cast2" << endl;  //不会执行
    return 0;
}

4、reinterpret_cast

????????语法：reinterpret_cast <newType> (expression)

????????reinterpret_cast 用于进行各种不同类型的指针之间、不同类型的引用之间以及指针和能容纳指针的整数类型之间的转换，reinterpret_cast 转换时，执行的过程是逐个比特复制的操作。
????????这种转换提供了很强的灵活性，但转换的安全性只能由程序员的细心来保证了。例如，程序员执意要把一个 int* 指针、函数指针或其他类型的指针转换成 string* 类型的指针也是可以的，至于以后用转换后的指针调用 string 类的成员函数引发错误，程序员也只能自行承担查找错误的烦琐工作：（C++ 标准不允许将函数指针转换成对象指针，但有些编译器，如 Visual Studio 2010，则支持这种转换）。

下面的代码代码演示了 reinterpret_cast 的使用：

#include <iostream>
using namespace std;

class B{
public:
    B(int a = 0, int b = 0): m_a(a), m_b(b){}
private:
    int m_a;
    int m_b;
};

int main(){
    //将 char* 转换为 float*
    char str[]="http://c.biancheng.net";
    float *p1 = reinterpret_cast<float*>(str);
    cout<<*p1<<endl;      //输出： 3.0262e+29
    //将 int 转换为 int*
    int *p = reinterpret_cast<int*>(45);
    //将 B* 转换为 int*
    p = reinterpret_cast<int*>(new B(11, 12));
    cout<<*p<<endl;  //输出: 25
   
    return 0;
}

????????可以想象，用一个 float 指针来操作一个 char 数组是一件多么荒诞和危险的事情，这样的转换方式不到万不得已的时候不要使用。将B*转换为int*，使用指针直接访问 private 成员刺穿了一个类的封装性，更好的办法是让类提供 get/set 函数，间接地访问成员变量。

参考

https://cplusplus.com/reference/sstream/ostringstream/

https://cplusplus.com/reference/sstream/istringstream/

《C++20高级编程》