reinterpret_cast 转换

通过重新解释底层位模式在类型间转换。

语法

返回 新类型 类型的值。

解释

与 static_cast 不同，但与 const_cast 类似，reinterpret_cast 表达式不会编译成任何 CPU 指令（除非在整数和指针间转换，或在指针表示依赖其类型的不明架构上）。它纯粹是一个编译时指令，指示编译器将 表达式 视为如同具有 新类型 类型一样处理。

唯有下列转换能用 reinterpret_cast 进行，但若转换会转型走常量性或易变性则亦不允许。

同所有转型表达式，结果是：

• 左值，若 new_type 是左值引用或到函数类型的右值引用；
• 亡值，若 new_type 是到对象类型的右值引用；
• 否则为纯右值。

关键词

reinterpret_cast

类型别名化

凡在试图通过 AliasedType 类型的泛左值读或修改类型为 DynamicType 的对象的值时，行为未定义，除非下列之一为真：

• AliasedType 与 DynamicType 相似。
• AliasedType 是 DynamicType 的（可有 cv 限定的）有符号或无符号变体。
• AliasedType 为 std::byte、 (C++17 起)char 或 unsigned char：这容许将任何对象的对象表示作为一个字节数组加以检验。

非正式地说，忽略顶层 cv 限定性，若两个类型符合下列条件，则它们相似：

• 它们是同一类型；或
• 它们都是指针，且被指向的类型相似；或
• 它们都是指向相同类的成员指针，且被指向的成员类型相似；或

例如：

• const int * volatile * 与 int * * const 相似；
• const int (* volatile S::* const)[20] 与 int (* const S::* volatile)[20] 相似；
• int (* const *)(int *) 与 int (* volatile *)(int *) 相似；
• int (S::*)() const 与 int (S::*)() 不相似；
• int (*)(int *) 与 int (*)(const int *) 不相似；
• const int (*)(int *) 与 int (*)(int *) 不相似；
• int (*)(int * const) 与 int (*)(int *) 相似（它们是同一类型）；
• std::pair<int, int> 与 std::pair<const int, int> 不相似。

此规则允许进行基于类型的别名分析，即编译器假设通过一个类型的泛左值读取的值，不会被通过不同类型的泛左值的写入所修改（依据上述例外情况）。

注意，许多 C++ 编译器作为非标准语言扩展放松此规则，以允许通过 union 的不活跃成员的进行类型错误的访问（这种访问在 C 中并不是未定义的）。

注解

标准中定义严格别名化规则的段落含有两条额外条例，部分地是从 C 继承而来：

• AliasedType 为聚合类型或 union 类型，它保有前述各类型之一作为其元素或非静态成员（递归地包含子聚合体的元素和被包含的联合体的非静态数据成员）。
• AliasedType 为 DynamicType 的（可有 cv 限定的）基类。

这些条例所描述的情况不可能出现于 C++，从而从上面的讨论中省略。在 C 中，聚合复制和赋值将聚合体对象作为整体访问。但 C++ 中始终通过成员函数调用进行这种行动，这会访问单独的子对象而非整个对象（或在联合体的情况下，复制对象表示，即经由 unsigned char）。见核心问题 2051。

假设符合对齐要求，则 reinterpret_cast 在处理指针可互转换对象的少数受限情况外，不更改指针的值：

struct S1 { int a; } s1;
struct S2 { int a; private: int b; } s2; // 非标准布局
union U { int a; double b; } u = {0};
int arr[2];
 
int* p1 = reinterpret_cast<int*>(&s1); // p1 的值为“指向 s1.a 的指针”
                                       // 因为 s1.a 与 s1 为指针可互转换
 
int* p2 = reinterpret_cast<int*>(&s2); // reinterpret_cast 不更改 p2 的值为“指向 s2 的指针”。 
 
int* p3 = reinterpret_cast<int*>(&u);  // p3 的值为“指向 u.a 的指针”：u.a 与 u 指针可互转换
 
double* p4 = reinterpret_cast<double*>(p3); // p4 的指针为“指向 u.b 的指针”：u.a 与 u.b
                                            // 指针可互转换，因为都与 u 指针可互转换
 
int* p5 = reinterpret_cast<int*>(&arr); // reinterpret_cast 不更改 p5 的值为“指向 arr 的指针”

在不实际代表适当类型的对象的泛左值（例如通过 reinterpret_cast 所获得）上，进行代表非静态数据成员或非静态成员函数的成员访问，将导致未定义行为：

struct S { int x; };
struct T { int x; int f(); };
struct S1 : S {}; // 标准布局
struct ST : S, T {}; // 非标准布局
 
S s = {};
auto p = reinterpret_cast<T*>(&s); // p 的值为“指向 s 的指针”
auto i = p->x; // 类成员访问表达式为未定义行为：s 不是 T 对象
p->x = 1; // 未定义行为
p->f();   // 未定义行为
 
S1 s1 = {};
auto p1 = reinterpret_cast<S*>(&s1); // p1 的值为“指向 S 的 s1 子对象的指针”
auto i = p1->x; // OK
p1->x = 1; // OK
 
ST st = {};
auto p2 = reinterpret_cast<S*>(&st); // p2 的值为“指向 st 的指针”
auto i = p2->x; // 未定义行为
p2->x = 1; // 未定义行为

许多编译器在这种情况下发布“严格别名化”警告，即使在技术上这种构造所违背的并非称为“严格别名化规则”段落的规则。

严格别名化及其相关规则的目的，是启用基于类型的别名分析，若程序能合法地创建一种情形，使得两个指向无关类型的指针（例如一个 int* 和一个 float*）能同时存在并可一同用于加载或存储同一内存（见此 SG12 reflector 上的邮件），则别名分析会普遍无效。故任何看起来能够创建这种情形的技巧都必然导致未定义行为。

当需要将对象的字节解释为不同类型的值时，可以使用 std::memcpy 或 std::bit_cast (C++20 起)：

double d = 0.1;
std::int64_t n;
static_assert(sizeof n == sizeof d);
// n = *reinterpret_cast<std::int64_t*>(&d); // 未定义行为
std::memcpy(&n, &d, sizeof d); // OK
n = std::bit_cast<std::int64_t>(d); // 亦 OK

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

示例

#include <cstdint>
#include <cassert>
#include <iostream>
int f() { return 42; }
int main()
{
    int i = 7;
 
    // 指针到整数并转回
    std::uintptr_t v1 = reinterpret_cast<std::uintptr_t>(&i); // static_cast 为错误
    std::cout << "The value of &i is 0x" << std::hex << v1 << '\n';
    int* p1 = reinterpret_cast<int*>(v1);
    assert(p1 == &i);
 
    // 到另一函数指针并转回
    void(*fp1)() = reinterpret_cast<void(*)()>(f);
    // fp1(); 未定义行为
    int(*fp2)() = reinterpret_cast<int(*)()>(fp1);
    std::cout << std::dec << fp2() << '\n'; // 安全
 
    // 通过指针的类型别名化
    char* p2 = reinterpret_cast<char*>(&i);
    if(p2[0] == '\x7')
        std::cout << "This system is little-endian\n";
    else
        std::cout << "This system is big-endian\n";
 
    // 通过引用的类型别名化
    reinterpret_cast<unsigned int&>(i) = 42;
    std::cout << i << '\n';
 
    [[maybe_unused]] const int &const_iref = i;
    // int &iref = reinterpret_cast<int&>(const_iref); // 编译错误——不能去除 const
    // 必须用 const_cast 代替：int &iref = const_cast<int&>(const_iref);
}

The value of &i is 0x7fff352c3580
42
This system is little-endian
42

参阅