如何在现代 C 语言中安全地输入双关语？

C 语言中类型双关的现代正确方法

传统的类型双关方法（以快速平方根反函数为例）涉及重新解释位模式使用低级强制转换将一种类型转换为另一种类型。然而，这种方法充满了陷阱，例如：

• 未指定的行为：根据硬件和编译器的不同，可能会出现未定义的结果。
• 严格别名违规： 不兼容类型之间的转换可能会导致错误。
• 生命周期问题：双关对象可能会比预期更早销毁。
• 字节顺序和对齐问题：有关字节排序和数据对齐的假设可能会失败。

现代类型机制双关

在现代 C 中，有几种更安全、更可靠的类型双关机制：

1. std::bit_cast(x) (C 20)

std::bit_cast 将 x 的位模式复制到类型 T 的新对象中。这是推荐的类型双关方法，因为它确保：

• 位级保留： 位模式被保留
• 正确的对齐和字节顺序：生成的对象遵循 T 的对齐和字节顺序要求。
• 运行时安全性：如果出现以下情况，则抛出异常无法进行转换。

2. std::memcpy(&y, &x, x.size())

使用 std::memcpy 在内存位置之间复制字节是另一个安全的选择。它适用于以下情况：

• 源类型和目标类型的大小匹配。
• 内存布局不依赖于平台。
• 源的生命周期对象被管理。

3.使用 std::launder 放置 new (C 17)

此技术可用于使用现有对象 x:

new (&x) T;
return *std::launder(reinterpret_cast<T*>(&x));

的内存创建 T 类型的新对象：

它是与 std::bit_cast 类似，但允许在转换之前修改内存内容。

4. std::byte和reinterpret_cast

return *reinterpret_cast<T*>(reinterpret_cast<std::byte*>(&x));

std::byte代表单个字节，可以用来重新解释其他类型的位模式：

这个方法和原来的类似reinterpret_cast，但它允许显式控制字节排序和对齐。

重写快速逆平方根函数

float fast_inverse_square_root(float number)
{
    // Assuming sizeof(long) == sizeof(float) on target platform
    return std::bit_cast<float>(0x5f3759df - (
        std::bit_cast<long>(number) >> 1
    ));
}

使用std::bit_cast，快速平方根反函数可以重写如下：

这个版本安全、高性能，并且遵循现代C 最佳实践。

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