现代 C 中安全有效的类型双关方法有哪些？

现代 C 中的类型双关

简介

将一种类型的位模式解释为不同类型的能力可能是一个有价值的工具某些 C 情况，特别是浮点优化和内存操作。然而，在执行类型双关时，需要考虑许多陷阱和未定义的行为。本文探讨了 C 中可用于类型双关的各种机制，讨论了它们的安全性和性能，并提出了最合适的方法。

类型双关机制

C 中存在用于类型双关的各种方法，包括：

• reinterpret_cast 和 C 风格强制转换：由于严格的别名规则，这些在这种情况下无效。
• static_cast 和 void*：这在 C 中也是无效的，但在实践中可能有效。
• std::bit_cast：在 C 20 中引入，std::bit_cast 是安全且显式的执行按位转换的方法。
• memcpy：memcpy 适合类型双关，但涉及不安全的 void* 指针并绕过类型检查。
• union ：联合仅对 C 中的类型双关有效，对 C 中的类型双关无效.
• placement new 和 std::launder：此方法可以工作，但未经官方认可，应谨慎使用。
• std::byte ：在 C 20 中引入，std::byte 可通过重新解释用于类型双关

安全和不安全的做法

上面列出的方法中，只有 std::bit_cast 和 memcpy 被认为对于类型双关是安全的。由于严格的别名规则，C 样式转换、重新解释转换和静态转换通常是不安全的。联合方法在 C 中也是不安全的。

性能注意事项

std::memcpy 通常由编译器优化，使其成为启用优化时性能最高的方法。 std::bit_cast 虽然更安全，但可能无法达到相同程度的优化。

规范方法

C 社区通常建议使用 std::bit_cast 进行类型双关，特别是在 C 20 和之后。它既提供安全性又提供明确的意图。对于了解其潜在缺点的性能关键型应用程序来说，memcpy 仍然是一个可行的选择。

重写快速平方根反函数

要安全且高效地重写快速平方根反函数，可以使用以下方法：

float invsqrt(float number) {
  return std::bit_cast<float>(0x5f3759df - ((int &)number >> 1));
}</float>

此方法使用 std::bit_cast 安全地将整数位模式重新解释为浮动，避免未定义的行为。

结论

C 中的类型双关需要仔细考虑安全性和性能。 std::bit_cast 是现代 C 的推荐方法，而在采取适当的预防措施时，出于性能原因仍然可以使用 memcpy 。通过了解各种可用的机制及其局限性，开发人员可以在代码中有效地利用类型双关。

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