C++ 캐스팅 안전하게 고르기: static_cast, dynamic_cast, const_cast, reinterpret_cast

숫자 변환은 조합마다 규칙이 다르다#

특히 NaN, +∞, -∞는 integer로 표현할 수 없으므로 floating→integer cast의 안전한 입력이 아니다. 사용자 입력이나 network 값을 바로 cast하지 말고 먼저 유한성과 범위를 검사한다.

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#include <cmath>
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#include <cstdint>
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#include <limits>
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#include <optional>
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std::optional<std::int32_t> ToInt32(double Value)
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{
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    if (!std::isfinite(Value))
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    {
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        return std::nullopt;
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    }
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    const double Truncated = std::trunc(Value);
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    const double Minimum = static_cast<double>(
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        std::numeric_limits<std::int32_t>::min());
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    const double Maximum = static_cast<double>(
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        std::numeric_limits<std::int32_t>::max());
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    if (Truncated < Minimum || Truncated > Maximum)
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    {
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        return std::nullopt;
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    }
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    return static_cast<std::int32_t>(Truncated);
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}

이 함수는 “소수부를 0 방향으로 버린다”는 정책을 이름과 구현으로 고정한다. 반올림이 목적이라면 std::round, banker’s rounding, saturation 등 원하는 정책을 별도로 정한 뒤 범위를 검사해야 한다.

static_cast downcast는 runtime type check가 아니다#

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struct Animal
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{
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    virtual ~Animal() = default;
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};
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struct Cat final : Animal
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{
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    void Meow();
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};
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Cat* AssumeCat(Animal* Value)
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{
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    return static_cast<Cat*>(Value);
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}

이 코드는 Animal과 Cat의 문법적 관계는 검사하지만 Value가 실제로 Cat object의 Animal subobject를 가리키는지는 검사하지 않는다. 실제 object가 Cat이 아니면 규칙상 변환 자체의 behavior가 undefined다.

null pointer 입력은 null Cat*로 유지된다. non-null pointer가 실제로 어떤 object를 가리키는지가 위험의 핵심이다.

이 downcast가 허용되려면 destination class가 complete type이고 base가 accessible, unambiguous, non-virtual이어야 한다. virtual base에서 이 방식으로 내려가는 것은 ill-formed다. 외부 입력이나 변할 수 있는 상태라면 dynamic_cast 같은 checked path를 사용한다.

static_cast<T*>(VoidPointer)도 object를 새로 만들거나 lifetime을 시작하지 않는다. 주소 alignment와 실제 object type이 맞는 storage라는 별도 증거가 필요하다.

Pointer와 integer#

pointer는 그 pointer type의 모든 값을 담을 만큼 큰 integer type으로 명시적으로 변환할 수 있고 mapping은 implementation-defined다. 64-bit pointer를 32-bit인 경우가 많은 unsigned int에 넣는 예제는 이 조건을 만족하지 않는다.

std::uintptr_t가 implementation에 존재한다면 pointer 값을 담을 수 있는 unsigned integer type이다. 그래도 용도는 같은 process에서 object lifetime이 유지되는 동안 같은 pointer type으로 왕복하는 임시 token 정도로 제한한다.

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#include <cstdint>
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struct Widget;
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std::uintptr_t ToTransientToken(Widget* Pointer)
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{
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    return reinterpret_cast<std::uintptr_t>(Pointer);
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}
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Widget* FromTransientToken(std::uintptr_t Token)
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{
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    return reinterpret_cast<Widget*>(Token);
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}

std::uintptr_t는 표준에서 optional이다. 지원되지 않는 implementation에는 이 code 자체를 제공하지 않아야 한다. 지원되더라도 token을 file, database, save game, network packet에 저장하면 안 된다. process 재시작, ASLR, object destruction, allocator 재사용 뒤에는 의미 있는 identity가 아니다.

충분히 큰 integer로 갔다가 같은 pointer type으로 돌아오는 round trip은 원래 pointer value를 보장한다. 모든 integer가 유효한 pointer가 되는 것, integer→pointer→integer의 일반적인 역변환, object가 계속 살아 있는 것은 보장하지 않는다.

Unrelated object pointer#

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float Value = 1.0f;
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// 다음 pointer cast 자체가 목적 object를 만들지는 않는다.
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const std::uint32_t* Bits =
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    reinterpret_cast<const std::uint32_t*>(&Value);
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// const std::uint32_t BadRead = *Bits; // aliasing/type-access UB

pointer를 얻었다고 dereference가 합법이 되는 것은 아니다. 최소 세 조건을 각각 증명해야 한다.

1. 주소가 destination type의 alignment를 만족한다.
2. 그 위치에서 destination type object의 lifetime이 시작되어 있다.
3. 해당 glvalue type을 통한 access가 type-accessible하다.

object representation을 읽는 예외는 char, unsigned char, std::byte다. signed char까지 같은 예외라고 일반화하지 않는다. unrelated numeric pointer를 만들어 dereference하는 전통적인 type punning은 이 규칙을 위반할 수 있다.

값의 bit pattern이 필요하면 std::bit_cast#

같은 크기의 trivially-copyable type 사이에서 value representation을 복사하려면 C++20의 std::bit_cast를 사용한다.

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#include <bit>
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#include <cstdint>
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static_assert(sizeof(float) == sizeof(std::uint32_t));
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float Value = 1.0f;
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const std::uint32_t Bits = std::bit_cast<std::uint32_t>(Value);

byte sequence를 복사하려면 std::memcpy, 읽기 전용 byte view가 필요하면 std::as_bytes를 사용한다. raw storage에 object를 만들려면 alignment를 보장하고 placement new나 std::construct_at으로 lifetime을 시작한다. reinterpret_cast 하나가 이 세 작업을 대신하지 않는다.

function pointer를 다른 function pointer type으로 바꿨다가 원래 type으로 돌리는 round trip과, 다른 signature로 실제 호출하는 것은 별개다. 정의와 호환되지 않는 function type으로 호출하면 UB다. object pointer와 function pointer 사이의 지원 여부도 implementation 조건에 따라 확인한다.

UObject 계층: Cast<T>#

UObject, AActor, UActorComponent, Unreal interface 같은 reflection type에는 Unreal의 Cast<T>를 사용한다.

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UObject* Object = GetCandidateObject();
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if (AMyActor* Actor = Cast<AMyActor>(Object))
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{
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    Actor->ActivateFeature();
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}

Unreal Object Handling은 UObject가 자신의 UClass 정보를 가지고 있으며, Cast가 실패하면 null을 반환한다고 설명한다. 이 path는 native C++ RTTI가 아니라 Unreal reflection을 사용하므로 Blueprint-generated subclass도 class 관계에 포함된다.

불일치가 정상적으로 가능한 입력은 Cast와 null 검사로 처리한다. CastChecked는 성공이 programmer invariant인 곳의 assertion 용도이지, 외부 입력을 항상 안전하게 검증하는 대체 API가 아니다. Unreal Cast의 내부 분기와 ExactCast, interface, Blueprint 경계는 다음 글에서 별도로 다룬다.

Plain native C++ 계층: RTTI 설정 확인#

UObject가 아닌 일반 polymorphic C++ class에는 Unreal reflection이 없다. checked dynamic_cast가 필요하면 build가 native RTTI를 지원하도록 설정해야 한다.

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public MyModule(ReadOnlyTargetRules Target) : base(Target)
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{
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    bUseRTTI = true;
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}

Unreal Build Tool은 module별 bUseRTTI 설정을 제공한다. Unreal module의 기본과 일반 Visual C++ project의 기본을 섞지 않는다. Microsoft의 /GR 문서는 일반 MSVC project에서 RTTI가 기본 활성이라고 설명하지만, Unreal Build Tool은 자체 규칙으로 compiler flag를 결정한다.

RTTI가 필요한 third-party ABI나 native hierarchy가 있다면 한 module에서 flag만 켜기 전에 platform, linked object의 flag, exception/ABI 정책을 함께 검토한다. Epic의 third-party library integration 안내는 RTTI 설정이 다른 binary를 섞을 때의 platform 제약을 별도로 설명한다.

RTTI를 켜기 어렵다면 static_cast로 type check를 없애는 것이 자동 해법은 아니다. virtual interface, tagged union, visitor, explicit type identifier처럼 type 관계를 설계에 표현하거나, 실제 dynamic type이 외부 invariant로 보장되는 매우 좁은 boundary에서만 unchecked cast를 사용한다.