C++ のキャスト¶

C++ では4種類のキャスト演算子が用意されています。

キャスト演算子	主な用途
static_cast	型変換を明示的に行う
dynamic_cast	基底クラス型のポインタと派生クラス型のポインタを変換する
const_cast	const修飾を変化させる
reinterpret_cast	型情報だけ変える

本節では基本的な使い方だけを説明します。詳しい説明はキャストの詳しい説明を参照してください。

static_cast¶

型変換を明示的に行うためのキャストです。必要があれば値を変化させます。

double dx = 3.14;
int x = static_cast<int>(dx);  // 3

列挙型と数値型の変換など暗黙的に変換されない型変換も行うことができます。

enum class Day {
    Sun,  // 0
    Mon,  // 1
    Tue,  // 2
    Wed,  // 3
    Thu,  // 4
    Fri,  // 5
    Sat   // 6
};

Day day1 = static_cast<Day>(1);         // Day::Mon
int day2 = static_cast<int>(Day::Tue);  // 2

型変換を明示的に行うことで、 explicit 指定された変換コンストラクタによる変換も行うことができます。

class Square {
 public:
    explicit Square(int size) : size_(size) {}

 private:
    int size_;
};

Square square = static_cast<Square>(10);

dynamic_cast¶

一般にダウンキャストをする際に、 dynamic_cast を使います。アップキャストに使うときは static_cast と同じ意味を持ちます。 dynamic_cast の詳細についてはダウンキャストを参照してください。

const_cast¶

一般にconst修飾子を外すときに用いるキャストです。const修飾を付加するときは static_cast と同じ意味を持ちます。

const std::string str("hoge");
std::string& x = const_cast<std::string&>(str);

「オブジェクトに変更を加えないようにする」ために const が付いているにも関わらず、 const_cast で「オブジェクトに変更を加えられるようにする」ことは望ましくないので、基本的には使いません。

reinterpret_cast¶

値はそのまま型情報の変換を行うキャストです。安全に使用するためにはいくつもの落とし穴があります。 Strict Aliasing Rulesのようにキャスト単体でみれば問題なくても全体としてみると未定義動作を引き起こすこともあります。 std::nullptr_t -> T -> std::nullptr_t が反例で、常にA→B→Aというふうに変換できるという保証もありません。 reinterpret_cast とはこうした未定義動作と未規定の動作などがそこかしこに横たわる魔境といえるでしょう。事実として reinterpret_cast の誤った用法をしばしば目にします。先人が書いたコードや解説を信用してはいけません。したがってなるべく reinterpret_cast を使わないようなコードを書くことが望ましいです。

reinterpret_cast はバイナリデータの読み書き時に使われることがあります。入力ストリームの read() や出力ストリームの write() の第 1 引数のポインタの型が決まっているためです。

#include <fstream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4};

    // バイナリ + 出力モードでストリームを開く
    std::ofstream ofs("nums.bin", std::ios::binary | std::ios::out);
    if(!ofs) {
        return 1;
    }

    const auto size = sizeof(int) * nums.size();  // int のサイズ * 配列要素数

    // 配列の先頭から配列全体のサイズ分をファイルに書き込む
    // 先頭ポインタはキャストが必要
    // const char*型への変換はStrict Aliasing Rulesに反しない
    ofs.write(reinterpret_cast<const char *>(nums.data()), size);

    return 0;
}

Strict Aliasing Rules

ポインタがどう使われているかコンパイラが解析することは極めて困難なため、最適化を行いやすくするために定められた規則の一つです。
もう少し言うとどのようなとき2つの変数が実際には同じメモリ位置を参照するかもしれないと仮定すべきかが定められています。
特に reinterpret_cast を用いるとき、Strict Aliasing Rulesに十分注意する必要があります。規則に反すれば未定義動作になります。

このルールの判定は実際にメモリーへのアクセスが行われたタイミングでどう振る舞うかというものであり、単一のキャストだけで判断できるものでは有りません。
例えば次のコードは、 A と B という全く関係のない型へのポインタを変換しようとしています。しかしキャストしているだけではStrict Aliasing Rulesに反していません
このあと実際に変数 b にアクセスしたときに違反し、未定義動作となります。

class A {};
class B {};

A a;
B* b = reinterpret_cast<B*>(&a);

よくあるStrict Aliasing Rulesを破っているコードの例を示します。これはネットワーク通信などでよく見られるエンディアンを変換しようとするコードです。
32bitのストレージを16bitごとに区切ってswapしようと試みていますが、未定義動作を踏んでいます。

#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <iomanip>
using std::uint32_t;
using std::uint16_t;
uint32_t swaphalves(uint32_t a) {
    uint32_t acopy=a;
    uint16_t *ptr=reinterpret_cast<uint16_t*>(&acopy);// ptrはacopyのaliasにならない
    uint16_t tmp=ptr[0];
    ptr[0]=ptr[1];// Undefined Behavior: ptrへの変更操作があるがaliasではない
    ptr[1]=tmp;
    return acopy;
}

int main()
{
    uint32_t a = 32;
    std::cout << std::hex << std::setfill('0') << std::setw(8) << a << std::endl;
    a = swaphalves(a);
    std::cout << std::setw(8) << a << std::endl;
}

Strict Aliasing Rulesを回避するには std::memcpy を用いるかC++20で追加された std::bit_cast を用います