为什么我不能在 char * 和 unsigned char * 之间进行静态转换？答案

【问题标题】：Why can't I static_cast between char * and unsigned char *?为什么我不能在 char * 和 unsigned char * 之间进行静态转换？
【发布时间】：2012-04-26 11:12:41
【问题描述】：

显然编译器认为它们是不相关的类型，因此需要reinterpret_cast。为什么会有这样的规定？

【问题讨论】：

我正在获取字符串的 SHA-1 哈希值。 c_str() 返回 const char *，SHA-1 函数将 const unsigned char * 作为参数。
如果该字符串包含负字符值，您期望会发生什么？
我希望任何负值 c 变为 c + 256，这是将有符号字节转换为无符号字节的标准。老实说，我只是在进行转换以计算哈希值。我不在乎它们是如何转换的，只要它们每次都以相同的方式转换即可。
@Nick：将char 转换为unsigned char 是一种转换。将char * 转换为unsigned char*，然后读取元素假设，当它们没有被转换时，它们是非常不同的。它将适用于转换实际上不需要更改表示的系统（例如，在二进制补码系统上），但由于这是一个特定于实现的假设，因此需要显式的 reinterpret_cast 是合适的。

标签： c++ char reinterpret-cast static-cast unsigned-char

【解决方案1】：

它们是完全不同的类型，见标准：

3.9.1 基本类型 [basic.fundamental]

1 声明为字符 char) 的对象应足够大存储实现的基本字符集的任何成员。如果一个该集合中的字符存储在字符对象中，积分该字符对象的值等于单个的值该字符的字符文字形式。它是实现定义的 char 对象是否可以持有负数价值观。字符可以显式声明为无符号或
签。 普通字符、有符号字符和无符号字符是三种不同的类型。 char、signed char 和 unsigned char 占用相同的存储量并具有相同的对齐方式要求（basic.types）；也就是说，它们具有相同的对象表示。对于字符类型，对象的所有位
表征参与价值表征。对于未签名字符类型，值表示的所有可能的位模式代表数字。这些要求不适用于其他类型。在任何特定的实现，一个普通的 char 对象都可以采用与有符号字符或无符号字符相同的值；哪个是实现定义。

与此类似也是以下失败的原因：

unsigned int* a = new unsigned int(10);
int* b = static_cast<int*>(a); // error different types

a 和 b 是完全不同的类型，你真正要问的是为什么 static_cast 可以毫无问题地执行以下操作时限制如此之大

unsigned int a = new unsigned int(10);
int b = static_cast<int>(a); // OK but may result in loss of precision

为什么它不能推断出目标类型是相同的位域宽度并且可以表示？它可以对标量类型执行此操作，但对于指针，除非目标是从源派生的并且您希望执行向下转换，那么指针之间的转换将不起作用。

Bjarne Stroustrop 说明了为什么 static_cast 在此链接中很有用：http://www.stroustrup.com/bs_faq2.html#static-cast 但以缩写形式让用户清楚地说明他们的意图是什么，并让编译器有机会检查你是什么可以实现意图，因为static_cast 不支持不同指针类型之间的转换，那么编译器可以捕获此错误以提醒用户，如果他们真的想要进行此转换，则应使用reinterpret_cast。

【讨论】：

感谢您在此处说明标准。我没有。
同样的原因，您可以将 static_cast 从 doubles 转换为 int，反之，您不能做的是 static_cast double* 到 int*，指针类型不同，但您可以从一个值转换为另一个警告说可能会降低精度
@Nick：即使是int 和float。它们可能具有相同的大小，但是如果您有一个int，那么请尝试像float 一样读取它，那么您得到的结果取决于float 在内存中的存储方式。由于规范没有说float如何存储在内存中，规范不能定义int的样子。记住：C++ 标准的存在是为了保证你得到什么。为了定义这种行为，标准必须详细说明float 在内存中的布局方式，以及int 在内存中的布局方式。
@Nick：简而言之：您将“真实机器上发生的事情”与“规范要求”的概念混淆了。
规范没有说最高有效位必须是符号位，因此实现可以让它成为最低有效位。如果是这种情况，当编译器将值为 1 的无符号字符转换为有符号字符时，它会知道需要将位左移 1 以说明符号位。但是对于 unsigned char* 和 char*，调整指针位置的值不是演员的工作。无论如何它都不知道要调整多少个字符。

【解决方案2】：

您正在尝试使用 static_cast 转换不相关的指针。这不是 static_cast 的用途。在这里你可以看到：Type Casting。

使用 static_cast 您可以转换数字数据（例如 char 到 unsigned char 应该可以工作）或指向相关类的指针（通过某些继承相关）。这两种情况都不是。您想将一个不相关的指针转换为另一个，因此您必须使用 reinterpret_cast。

基本上，您尝试对编译器执行的操作与尝试将 char * 转换为 void * 相同。

好的，这里有一些额外的想法，为什么允许这样做从根本上是错误的。 static_cast 可用于将数字类型相互转换。所以这样写是完全合法的：

char x = 5;
unsigned char y = static_cast<unsigned char>(x);

还有什么可能：

double d = 1.2;
int i = static_cast<int>(d);

如果您在汇编程序中查看此代码，您会发现第二次强制转换不仅仅是对 d 位模式的重新解释，而是在此处插入了一些用于转换的汇编程序指令。

现在，如果我们将这种行为扩展到数组，只需一种不同的方式来解释位模式就足够了，它可能会起作用。但是如何将双精度数组转换为整数数组呢？这就是您必须声明您想要重新解释位模式的地方 - 有一种称为 reinterpret_cast 的机制，或者您必须做一些额外的工作。正如您所看到的，简单地为指针/数组扩展 static_cast 是不够的，因为它需要表现得类似于 static_casting 类型的单个值。这有时需要额外的代码，并且不清楚如何为数组完成此操作。在你的情况下 - 停在 \0 - 因为这是惯例？这对于非字符串情况（数字）是不够的。如果数据类型的大小发生变化（例如 x86-32 位上的 int 与 double）会发生什么？

无法为所有用例正确定义您想要的行为，这就是它不在 C++ 标准中的原因。否则，您将不得不记住以下内容：“我可以将这种类型转换为另一种类型，只要它们是整数类型，具有相同的宽度并且......”。这样就很清楚了——它们要么是相关的 CLASSES——然后你可以转换指针，或者它们是数字类型——然后你可以转换值。

【讨论】：

我在开篇文章中承认编译器说它们是不相关的指针。我想知道的是为什么。在我看来，如果T1 与T2“相关”，那么T1 * 应该与T2 *“相关”。为什么输入规则听起来不正确（对于原始类型）？
@Nick 它不是“以某种方式相关”而是“相关类”。正如您所说， char 和 unsigned char 是原语 - 而不是类。这就是原因——如果你仔细阅读的话，这就是我所说的。你是对的 - 如果 T1 类与 T2 类相关，那么你可以使用 static_cast 将 T1* 转换为 T2*。这不是你在做什么。在 C++ 标准要求的关系意义上，char 与 unsigned char 无关。
但是，如果你删除指针，编译器在任何原始类型之间转换都没有问题，例如unsigned char a = 255; char b = static_cast<char>(a); 似乎有点奇怪，因为如果 T1 和 T2 是类，则指针之间的转换是不正确的，因为您可以执行以下操作：class A; class B : public A; B *b = new B[4]; b[0] = B(); @987654335 @ @a[1] = A(); B b1 = b[1]; // oops 似乎唯一时间应该是安全的强制转换是在原始类型之间。
是的 - 其行为是明确且明确的。您有一些关于如何将一种数字类型转换为另一种的规则。这可能就像将位模式复制到新内存中一样简单，也可能像将 double 转换为 int 一样复杂。仍然 - 它仅用于一个值，因此很容易定义。见我上面的解释。根据类型是否为指针类型，static_cast 有两种完全不同的用途。他们应该为 2 个用例（例如 static_cast 和 numeric_cast）使用不同的名称。

【解决方案3】：

除了作为指针之外，unsigned char * 和 char * 没有任何共同点（EdChum 已经提到 char、signed char 和 unsigned char 是三种不同的类型）。对于指向任何不同结构的 Foo * 和 Bar * 指针类型，您可以说同样的话。

static_cast表示源类型的指针可以作为目的类型的指针，需要有子类型关系。因此，它不能在您的问题的上下文中使用；您需要的是 reinterpret_cast，它完全符合您的要求，或者是 C 风格的演员表。

【讨论】：