「std::bit_cast」のような最新の C メカニズムは、型パニングを安全に実行するのにどのように役立ちますか?

C におけるモダンな型パニング

C では、型パニング、つまり、ある型のビット パターンを別の型として解釈する練習です。浮動小数点の最適化などの特定の状況では便利なテクニックとなる可能性があります。ただし、これには、不特定の動作、厳密なエイリアシング、有効期間の問題などの落とし穴があります。

これらの課題に対処するために、C では、安全で効率的な型パニングのための次のようなメカニズムがいくつか導入されました。

• std::reinterpret_cast: 従来の reinterpret_cast には、未定義の動作とエイリアシング違反の問題がまだあります。
• std::static_cast: void*、static_cast と組み合わせるreinterpret_cast よりも明示的で安全なキャストを提供できます。
• std::bit_cast: C 20 で導入された std::bit_cast は、ビットごとに実行するタイプセーフで効率的な方法を提供します。
• std::memcpy: 型パニング用に明示的に設計されていませんが、memcpy を使用すると、あるオブジェクトのビット パターンを別のオブジェクトにコピーでき、安全に変換できます。再解釈。
• std::launder: ポインタを、厳密なエイリアス規則に違反しないポインタに変換するために使用できます。

具体的な場合高速逆平方根関数を書き直す問題では、std::bit_cast を使用するのが最も安全でパフォーマンスの高いアプローチです。

float fast_inv_sqrt(float number) {
  std::uint32_t i;
  float x2, y;
  const float threehalfs = 1.5F;

  x2 = number * 0.5F;
  y = number;
  i = std::bit_cast<std::uint32_t>(y);                       // type-safe bit-wise conversion
  i = 0x5f3759df - (i >> 1);               // what the
  y = std::bit_cast<float>(i);
  y = y * (threehalfs - (x2 * y * y));   // 1st iteration
//  y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) );   // 2nd iteration, this can be removed

  return y;
}

この解決策は、パフォーマンスを維持しながら未定義の動作とエイリアシング違反を回避します。 std::bit_cast はコンパイラによって適切に最適化され、C の型システムに準拠した効率的なコードを生成します。

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