型変換

コンピュータサイエンスでは、型変換、^[1]^[2] 型キャスト、^[1]^[3] 型強制、 [3 ^]および型ジャグリング^[4]^[5]は、式をあるデータ型から別のデータ型に変更するさまざまな方法です。例としては、整数値を浮動小数点値またはそのテキスト表現を文字列に変換したり、その逆を行ったりすることが挙げられます。型変換では、型階層またはデータ表現の特定の機能を利用できます。型変換の重要な2つの側面は、暗黙的（自動的）に行われるか明示的に行われるか、^[1]^[6]と、基礎となるデータ表現が1つの表現から別の表現に変換されるか、または特定の表現が別のデータ型の表現として単に再解釈されるかです。 ^[6]^[7]一般に、プリミティブデータ型と複合データ型の両方を変換できます。

各プログラミング言語には、型の変換方法に関する独自のルールがあります。強い型付けの言語では通常、暗黙的な変換はほとんど行われず、表現の再解釈は推奨されませんが、弱い型付けの言語では、データ型間の暗黙的な変換が多数実行されます。弱い型付けの言語では、多くの場合、コンパイラがデータ項目を異なる表現として任意に解釈することを強制できます。これは、わかりにくいプログラミングエラーの場合もあれば、基盤となるハードウェアを直接処理するための技術的な方法の場合もあります。

ほとんどの言語では、強制という語は、コンパイル時または実行時の暗黙的な変換を表すために使用されます。たとえば、整数と浮動小数点数が混在する式 (5 + 0.1 など) では、コンパイラは整数表現を浮動小数点表現に自動的に変換するため、小数点は失われません。明示的な型変換は、追加のコードを記述するか (たとえば、型識別子の追加や組み込みルーチンの呼び出し)、または型の不一致でコンパイラが停止する場合に使用する変換ルーチンをコーディングすることによって示されます。

Pascal、Modula-2、Ada、DelphiなどのほとんどのALGOL系言語では、変換とキャストは明確に異なる概念です。これらの言語では、変換とは、値をあるデータ型のストレージ形式から別の形式に暗黙的または明示的に変更すること (例: 16 ビット整数から 32 ビット整数へ) を指します。変換の結果、精度の低下や切り捨てなど、ストレージのニーズが変わる場合があります。一方、キャストという言葉は、値を表すビットパターンの解釈をある型から別の型に明示的に変更することを指します。たとえば、32 個の連続ビットは、32 個のブール値の配列、4 バイトの文字列、符号なし 32 ビット整数、または IEEE 単精度浮動小数点値として扱われる場合があります。格納されたビットは変更されないため、プログラマは意味のあるキャストを行うために、表現形式、バイト順序、アラインメントのニーズなどの低レベルの詳細を知っておく必要があります。

C 言語ファミリーとALGOL 68では、キャストという語は通常、明示的な型変換 (暗黙的な変換とは対照的) を指し、これがビットパターンの再解釈なのか、実際のデータ表現の変換なのかについて曖昧さが生じます。より重要なのは、ポインターによってどのデータ型 (またはクラス) が検索されるか、およびオブジェクト (クラス) 継承などの場合にコンパイラーによってポインターが調整される方法に適用される方法と規則が多数あることです。

さまざまな言語での明示的なキャスト

エイダ

Adaは汎用ライブラリ関数Unchecked_Conversionを提供する。^[8]

C系言語

暗黙的な型変換

暗黙的な型変換は、強制型変換または型ジャグリングとも呼ばれ、コンパイラによる自動型変換です。プログラミング言語によっては、コンパイラによる強制型変換を許可しているものもあれば、強制型変換を必須とするものもあります。

混合型式では、プログラムが正しく実行されるように、実行時に必要に応じて 1 つ以上のサブタイプのデータをスーパータイプに変換できます。たとえば、次のコードは有効なC 言語コードです。

倍精度浮動小数点数型 (double d) ;長整数型 ( long l ) ;整数型 (int i) ;  
    
     

d > iの場合d = i ; i > lの場合l = i ; d == lの場合d * = 2 ;

d、l、およびi は異なるデータ型に属していますが、比較または割り当てが実行されるたびに、自動的に同じデータ型に変換されます。この動作は、意図しない結果が生じる可能性があるため、注意して使用する必要があります。浮動小数点から整数に表現を変換すると、浮動小数点値の小数部分が切り捨てられる (ゼロに向かって丸められる) ため、データが失われる可能性があります。逆に、浮動小数点型は整数型のすべての可能な値を正確に表現できない場合があるため、整数から浮動小数点に表現を変換すると精度が失われる可能性があります。たとえば、はIEEE 754単精度型であり、整数 16777217 を正確に表現できませんが、32 ビット整数型では表現できます。次のコードで示されるように、これは直感に反する動作につながる可能性があります。 float

#include <stdio.h> 

int main ( void ) { int i_value = 16777217 ; float f_value = 16777216.0 ; printf ( "整数は: %d \n " , i_value ); printf ( "浮動小数点数は: %f \n " , f_value ); printf ( "それらは等しい: %d \n " , i_value == f_value ); }

float を IEEE 単精度として実装し、int を少なくとも 32 ビットとして実装するコンパイラでは、このコードによって次のような奇妙な出力が生成されます。

整数は16777217です
浮動小数点数は16777216.000000です
彼らの平等性: 1

上記の最後の行では、1 が等価性を表していることに注意してください。この奇妙な動作はi_value、をと比較するときに、を float に暗黙的に変換することによって発生しますf_value。この変換によって精度が失われ、比較前に値が等しくなります。

重要なポイント:

floatは切り捨て、つまり小数部分の削除をint引き起こします。
doublefloat数字を丸めます。
longint余分な上位ビットを削除します。

タイププロモーション

暗黙的な型変換の特殊なケースの 1 つに型の昇格があります。型の昇格では、オブジェクトが元の型のスーパーセットを表す別のデータ型に自動的に変換されます。昇格は、算術演算や論理演算の前に、ターゲットプラットフォームの算術論理ユニット(ALU)のネイティブ型よりも小さい型でよく使用され、このような演算を可能にしたり、ALU が複数の型を処理できる場合はより効率的に処理したりします。C および C++ では、ブール型、文字型、ワイド文字型、列挙型、および short 整数型のオブジェクト (int に昇格) と float 型のオブジェクト (double に昇格) に対してこのような昇格を実行します。他の型変換とは異なり、昇格によって精度が失われたり、オブジェクトに格納されている値が変更されたりすることはありません。

Javaの場合:

int x = 3 ; double y = 3.5 ; System.out.println ( x + y ) ; // 出力は6.5になります

明示的な型変換

明示的な型変換は、型キャストとも呼ばれ、プログラム内で明示的に定義される型変換です（暗黙的な型変換の言語ルールに従って自動的に実行されるのではなく）。プログラム内でユーザーによって要求されます。

double da = 3.3 ; double db = 3.3 ; double dc = 3.4 ; int result = ( int ) da + ( int ) db + ( int ) dc ; // result == 9 // 暗黙的な変換が使用される場合（「result = da + db + dc」のように）、結果は 10 になります。

明示的な変換にはいくつかの種類があります。

チェック済み: 変換を実行する前に、実行時にチェックが行われ、変換先の型がソース値を保持できるかどうかが確認されます。保持できない場合は、エラー状態が発生します。
チェックなし: チェックは実行されません。宛先タイプがソース値を保持できない場合、結果は未定義になります。
ビットパターン: ソースの生のビット表現がそのままコピーされ、宛先の型に応じて再解釈されます。これはエイリアシングによっても実現できます。

オブジェクト指向プログラミング言語では、オブジェクトをダウンキャストすることもできます。つまり、基本クラスの参照がその派生クラスの 1 つにキャストされます。

C# と C++

C#では、型変換は安全な方法と安全でない方法（つまりCのような方法）で行うことができます。前者はチェックされた型キャストと呼ばれます。^[9]

動物animal =新しいCat ();    

Bulldog b = ( Bulldog ) animal ; // (animal が Bulldog) の場合、 stat.type(animal) は Bulldog、それ以外の場合は例外b = animal as Bulldog ; // (animal が Bulldog) の場合、 b = (Bulldog) animal、それ以外の場合は b = null      
             

animal = null ; b = animal as Bulldog ; // b == null

C++では、 C++ スタイルのキャスト構文を使用して同様の効果を実現できます。

動物* animal =新しい猫;    

Bulldog * b = static_cast < Bulldog *> ( animal ); // Animal または Bulldog のいずれかが他方から派生している (または同じ) 場合にのみコンパイルされますb = dynamic_cast < Bulldog *> ( animal ); // if (animal is Bulldog), b = (Bulldog*) animal, else b = nullptr    
           

Bulldog & br = static_cast < Bulldog &> ( * animal ); // 上記と同じですが、nullptr が返された場合は例外がスローされます// 例外処理が回避されているコードではこれは見られません    
                                              

animal を削除します。// 常にリソースを解放します。 animal = nullptrです。b = dynamic_cast < Bulldog *> ( animal ) です。// b == nullptr です。

エッフェル

Eiffelでは、型変換の概念が型システムのルールに統合されています。割り当てルールでは、次のような割り当てが規定されています。

x := y

yは、この場合のソース式の型が、この場合のターゲットエンティティの型と互換性がある場合にのみ有効です。このルールでは、互換性があるとは、ソース式の型がターゲットの型に準拠しているか、ターゲットの型に変換されることを意味します。型の準拠は、オブジェクト指向プログラミングにおけるポリモーフィズムの一般的なルールによって定義されます。たとえば、上記の割り当てでは、の基になっているクラスがの基になっているクラスの子孫である場合、の型はの型に準拠します。 xyxyx

Eiffel における型変換の定義

Eiffel における型変換のアクション、具体的にはconverts toとconverts from は次のように定義されます。

クラスCUに基づく型は、クラスCTに基づく型Tに変換されます（TはUから変換されます）。

CTにはUを変換タイプとして使用する変換手順があります。

CU には、変換タイプとして T をリストする変換クエリがあります。

例

Eiffel は、Microsoft .NET Frameworkに完全に準拠した言語です。.NET が開発される前から、Eiffel には広範なクラスライブラリがすでにありました。.NET タイプライブラリを使用すると、特に文字列などのよく使用されるタイプでは、変換の問題が発生します。既存の Eiffel ソフトウェアは、Eiffel ライブラリの文字列クラス ( など) を使用しますが、.NET 用に作成された Eiffel ソフトウェアは、多くの場合、たとえば、.NET タイプの項目が引数として渡されることが期待される .NET メソッドを呼び出す場合など、.NET 文字列クラス ( ) を使用する必要があります。そのため、これらのタイプの相互変換は、できるだけシームレスに行う必要があります。 STRING_8System.String

    my_string : STRING_8 -- ネイティブ Eiffel 文字列my_system_string : SYSTEM_STRING -- ネイティブ .NET 文字列                  
          

        ...

            私の文字列:=私のシステム文字列

上記のコードでは、異なる型の 2 つの文字列が宣言されています (SYSTEM_STRINGは System.String の Eiffel 準拠のエイリアスです)。System.Stringはに準拠していないため、上記の割り当てはがに変換されるSTRING_8場合にのみ有効です。 System.StringSTRING_8

Eiffel クラスには、型のオブジェクトに対するSTRING_8変換プロシージャがあります。変換プロシージャも常に作成プロシージャとして指定されます (コンストラクタと同様)。以下は、クラスからの抜粋です。 make_from_cilSystem.StringSTRING_8

    クラスSTRING_8 ... make_from_cilを作成... make_from_cil ({ SYSTEM_STRING })に変換...

変換手順が存在すると、割り当ては次のようになります。

            私の文字列:=私のシステム文字列

意味的には次のものと同等です:

            my_stringを作成します。make_from_cil ( my_system_string )

は、と同等の内容を持つmy_string型の新しいオブジェクトとして構築されます。 STRING_8my_system_string

元のソースとターゲットが逆になっている割り当てを処理するには:

            my_system_string := my_string

クラスには、のインスタンスからを生成するSTRING_8変換クエリも含まれています。 to_cilSystem.StringSTRING_8

    クラスSTRING_8 ... make_from_cilを作成... make_from_cil ({ SYSTEM_STRING })をto_cil : { SYSTEM_STRING }に変換...

課題:

            my_system_string := my_string

すると、次の式と同等になります。

            my_system_string := my_string . to_cil

Eiffel では、型変換のセットアップはクラスコードに含まれていますが、クライアントコードでの明示的な型変換と同様に自動的に行われるように見えます。これには、割り当てだけでなく、引数 (パラメーター) の置換など、他の種類の添付も含まれます。

さび

Rustはプリミティブ型間の暗黙的な型変換（強制）を提供しません。しかし、キーワードを使用して明示的な型変換（キャスト）を実行できますas。^[10]

let x = 1000 ; println! ( "1000 を u16 として表すと: {}" , x as u16 );

型アサーション

静的型システムにおける関連概念は、型アサーションと呼ばれ、コンパイラーに、自身の推論を無視して特定の型の式を処理するように指示します。型アサーションは安全 (実行時チェックが実行される) または安全でない場合があります。型アサーションは、値をあるデータ型から別のデータ型に変換しません。

タイプスクリプト

TypeScriptでは、型アサーションは次のasキーワードを使用して行われます: ^[11]

const myCanvas = document.getElementById ( "main_canvas" )をHTMLCanvasElementとして取得します。

上記の例では、document.getElementByIdはを返すように宣言されていますが、この場合はのサブタイプであるがHTMLElement常に返されることがわかっています。そうでない場合、の動作に依存する後続のコードは正しく実行されません。これは、Typescript では型アサーションのランタイムチェックが行われないためです。 HTMLCanvasElementHTMLElementHTMLCanvasElement

Typescript では、実行時の型サポートがないため、実行時に値が特定の型であるかどうかを確認する一般的な方法はありません。ただし、値が特定の型であるかどうかをコンパイラーに伝えるユーザー定義関数を記述することは可能です。このような関数は型ガードと呼ばれ、の戻り値の型で宣言されます。x is Typeここで、xはパラメーター、またはのthis代わりにですboolean。

これにより、安全でない型アサーションをコードベース全体に散らばらせるのではなく、チェッカー関数内に含めることができます。

行く

Goでは、型アサーションを使用して、インターフェース値から具体的な型の値にアクセスできます。値がその具体的な型でない場合は、パニックになる（戻り値が1つの場合）か、ゼロ値を返す（戻り値が2つの場合）という安全なアサーションです。 ^[12]

t := i .( T )

iこの型アサーションは、が型であることをシステムに伝えますT。そうでない場合はパニックになります。

タグなし共用体を使用した暗黙的なキャスト

多くのプログラミング言語は、複数の型の値を保持できる共用体型をサポートしています。タグなしの共用体は、 CやPL/Iなどの緩い型チェックを備えた一部の言語で提供されていますが、オリジナルのPascalでも提供されています。これらを使用すると、ある型のビットパターンを別の型の値として解釈できます。

セキュリティ問題

ハッキングにおいて、型キャストとは、型変換を悪用して、変数のデータ型を元の定義から一時的に変更することです。^[13]変数が「型キャスト」されて別のデータ型になった後の型変換では、コンパイラはそのハッキングされた変数をその特定の操作の新しいデータ型として扱うため、ハッカーにとってはチャンスとなります。^[14]

参照

参考文献

^ abc Mehrotra, Dheeraj (2008). S. Chandのコンピュータサイエンス. S. Chand. pp. 81–83. ISBN 978-8121929844。
^ プログラミング言語 - 設計と構成。Laxmi Publications。2013年、p. 35。ISBN 978-9381159415。
^ ab ライリー、エドウィン (2004)。『コンピュータサイエンスの簡潔な百科事典』。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。pp. 82, 110。ISBN 0470090952。
^ Fenton, Steve (2017). Pro TypeScript: アプリケーション規模の JavaScript 開発。Apress。pp. xxiii。ISBN 978-1484232491。
^ 「PHP: 型ジャグリング - マニュアル」。php.net 。 2019年1月27日閲覧。
^ ab オルソン、ミカエル (2013). C++ クイック構文リファレンス。アプレス。 87～89ページ。ISBN 978-1430262770。
^ クルーゼ、ルドルフ;ボーゲルト、クリスチャン。ブラウン、クリスチャン。モスタギム、サナズ。スタインブレッチャー、マティアス（2016 年 9 月 16 日）。計算知能: 方法論的紹介。スプリンガー。 p. 269.ISBN 978-1447172963。
^ 「Unchecked Type Conversions」。Ada Information Clearinghouse 。 2023年3月11日閲覧。
^ メッセンベック、ハンスペーター (2002 年 3 月 25 日)。「高度な C#: チェックされた型キャスト」(PDF)。システムソフトウェア研究所、リンツのヨハネス・ケプラー大学、Fachbereich Informatik。 p. ５．2011 年8 月 4 日に取得。 C#チュートリアル
^ 「キャスト - Rust By Example」. doc.rust-lang.org。
^ 「Typescript ドキュメント」.
^ 「囲碁ツアー」
^ Jon Erickson Hacking, 2nd Edition: The Art of Exploitation 2008 1593271441 p51 「型キャストは、変数のデータ型を、元の定義にかかわらず、一時的に変更する方法です。変数が異なる型に型キャストされると、コンパイラは基本的に、その変数を新しいデータ型であるかのように扱うように指示されますが、その操作に対してのみ行われます。型キャストの構文は次のとおりです: (typecast_data_type) 変数...」
^ Arpita Gopal Magnifying C 2009 8120338618 p. 59 「上記から、型キャストの使用は、1 つの型の変数を、1 つの操作で別の型のように動作させることであることは明らかです。したがって、この型キャストの機能を使用することで、整数をその型に型キャストして ASCII 文字を作成することができます...」

外部リンク

エイダでのキャスティング
C++ でのキャスト
C++ リファレンスガイド C++ キャスト演算子が嫌いな理由、Danny Kalev 著
Javaでのキャスト
C# における暗黙的な変換
Cppreference.com での暗黙的な型キャスト
C++ における静的キャストと再解釈キャスト
F# でのアップキャストとダウンキャスト

[:0-1] Mehrotra, Dheeraj (2008). S. Chandのコンピュータサイエンス. S. Chand. pp. 81–83. ISBN 978-8121929844。

[2] プログラミング言語 - 設計と構成。Laxmi Publications。2013年、p. 35。ISBN 978-9381159415。

[:1-3] ライリー、エドウィン (2004)。『コンピュータサイエンスの簡潔な百科事典』。ジョン・ワイリー・アンド・サンズ。pp. 82, 110。ISBN 0470090952。

[4] Fenton, Steve (2017). Pro TypeScript: アプリケーション規模の JavaScript 開発。Apress。pp. xxiii。ISBN 978-1484232491。

[5] 「PHP: 型ジャグリング - マニュアル」。php.net 。 2019年1月27日閲覧。

[:2-6] オルソン、ミカエル (2013). C++ クイック構文リファレンス。アプレス。 87～89ページ。ISBN 978-1430262770。

[7] クルーゼ、ルドルフ;ボーゲルト、クリスチャン。ブラウン、クリスチャン。モスタギム、サナズ。スタインブレッチャー、マティアス（2016 年 9 月 16 日）。計算知能: 方法論的紹介。スプリンガー。 p. 269.ISBN 978-1447172963。

[8] 「Unchecked Type Conversions」。Ada Information Clearinghouse 。 2023年3月11日閲覧。

[9] メッセンベック、ハンスペーター (2002 年 3 月 25 日)。「高度な C#: チェックされた型キャスト」(PDF)。システムソフトウェア研究所、リンツのヨハネス・ケプラー大学、Fachbereich Informatik。 p. ５．2011 年8 月 4 日に取得。 C#チュートリアル

[10] 「キャスト - Rust By Example」. doc.rust-lang.org。

[11] 「Typescript ドキュメント」.

[12] 「囲碁ツアー」

[13] Jon Erickson Hacking, 2nd Edition: The Art of Exploitation 2008 1593271441 p51 「型キャストは、変数のデータ型を、元の定義にかかわらず、一時的に変更する方法です。変数が異なる型に型キャストされると、コンパイラは基本的に、その変数を新しいデータ型であるかのように扱うように指示されますが、その操作に対してのみ行われます。型キャストの構文は次のとおりです: (typecast_data_type) 変数...」

[14] Arpita Gopal Magnifying C 2009 8120338618 p. 59 「上記から、型キャストの使用は、1 つの型の変数を、1 つの操作で別の型のように動作させることであることは明らかです。したがって、この型キャストの機能を使用することで、整数をその型に型キャストして ASCII 文字を作成することができます...」