`std::bit_cast`와 같은 최신 C 메커니즘이 유형 퍼닝을 안전하게 수행하는 데 어떻게 도움이 될까요?

C의 Modern Type Punning

C에서는 type punning, 한 타입의 비트 패턴을 다른 타입으로 해석하는 연습, 부동 소수점 최적화와 같은 특정 상황에서 유용한 기술이 될 수 있습니다. 그러나 지정되지 않은 동작, 엄격한 앨리어싱 및 수명 문제 등의 함정이 따릅니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 C는 안전하고 효율적인 유형 인용을 위해 다음과 같은 여러 메커니즘을 도입했습니다.

• std::reinterpret_cast: 전통적인 reinterpret_cast에는 여전히 정의되지 않은 동작 및 앨리어싱 위반 문제가 있습니다.
• std::static_cast: void*, static_cast와 결합 reinterpret_cast보다 더 명시적이고 안전한 캐스트를 제공할 수 있습니다.
• std::bit_cast: C 20에 도입된 std::bit_cast는 비트별 수행을 위한 유형 안전하고 효율적인 방법을 제공합니다. 엄격한 앨리어싱 규칙을 위반하지 않고 변환할 수 있습니다.
• std::memcpy: 유형 펀닝을 위해 명시적으로 설계되지는 않았지만 memcpy를 사용하면 한 객체의 비트 패턴을 다른 객체로 복사할 수 있으므로 안전한 작업이 가능합니다. 재해석.
• std::launder: 포인터를 엄격한 앨리어싱 규칙을 위반하지 않는 포인터로 변환하는 데 사용할 수 있습니다.

구체적인 경우 std::bit_cast를 사용하여 빠른 역제곱근 함수를 다시 작성하는 문제는 가장 안전하고 성능이 가장 뛰어난 접근 방식입니다.

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;
}

이 솔루션은 성능을 유지하면서 정의되지 않은 동작과 앨리어싱 위반을 방지합니다. std::bit_cast는 컴파일러에 의해 잘 최적화되어 C 유형 시스템을 준수하는 효율적인 코드를 생성합니다.

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