現代 C 中安全有效的類型雙關方法有哪些？

現代C 中的類型雙關

簡介

將一種類型的位元模式解釋為不同類型的能力可能是一個有價值的工具某些C 情況，特別是浮點最佳化和記憶體操作。然而，在執行類型雙關時，需要考慮許多陷阱和未定義的行為。本文探討了 C 中可用於類型雙關的各種機制，討論了它們的安全性和性能，並提出了最合適的方法。

類型雙關機制

C 中存在用於類型雙關的各種方法，包括：

• reinterpret_cast 和C 風格轉換：由於嚴格的別名規則，這些在此上下文中無效。
• static_cast 和 void*：這在 C 中也是無效的，但在實踐中可能有效。
• std::bit_cast：在C 20 中引入，std::bit_cast 是一種安全且顯式的按位執行方式
• memcpy：memcpy 適合類型雙關，但涉及不安全的void* 指針並繞過類型檢查。
• union：聯合僅對於 C 中的類型雙關有效，而不是 C 。
• placement new 和 std::launder：此方法可以工作，但未經官方批准，應謹慎使用。
• std::byte：在 C 20 中引入，std::byte 可用於透過重新解釋轉換進行型雙關。

安全和不安全的做法

在上面列出的方法中，只有 std::bit_cast 和 memcpy 被認為對於類型雙關是安全的。由於嚴格的別名規則，C 樣式轉換、重新解釋轉換和靜態轉換通常是不安全的。聯合方法在 C 中也是不安全的。

效能注意事項

std::memcpy 通常由編譯器最佳化，使其成為啟用最佳化時效能最高的方法。 std::bit_cast 雖然比較安全，但可能無法達到相同程度的最佳化。

規範方法

C 社區通常建議使用 std::bit_cast 進行類型雙關，特別是在 C 20 和之後。它既提供安全性又提供明確的意圖。對於了解其潛在缺點的效能關鍵型應用程式來說，memcpy 仍然是一個可行的選擇。

重寫快速平方根反函數

要安全且有效率地重寫快速平方根反函數，可以使用以下方法：

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

此方法使用std:: bit_cast 安全地將整數位元模式重新解釋為浮點數，避免未定義的行為。

結論

C 中的類型雙關需要仔細考慮安全性和效能。 std::bit_cast 是現代 C 的建議方法，而在採取適當的預防措施時，出於性能原因仍然可以使用 memcpy 。透過了解各種可用的機制及其局限性，開發人員可以在程式碼中有效地利用類型雙關。

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