如何在現代 C 語言中安全地輸入雙關語？

C 語言中類型雙關的現代正確方法

傳統的類型雙關方法（以快速平方根反函數為例）涉及重新解釋位元模式使用低階強制轉換將一種類型轉換為另一種類型。然而，這種方法充滿了陷阱，例如：

• 未指定的行為：根據硬體和編譯器的不同，可能會出現未定義的結果。
• 嚴格別名違規： 不相容類型之間的轉換可能會導致錯誤。
• 生命週期問題：雙關物件可能會比預期更早銷毀。
• 位元組順序和對齊問題：有關位元組排序和資料對齊的假設可能會失敗。

現代類型機制雙關

在現代C 中，有幾種更安全、更可靠的類型雙關機制：

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

std::bit_cast 將x 的位元模式複製到型別 T的新物件中。這是建議的類型雙關方法，因為它確保：

• 位元級保留： 位元模式保留
• 正確的對齊和位元組順序：產生的物件遵循T 的對齊和位元組順序要求。
• 運行時安全性：如果出現以下情況，則拋出異常無法進行轉換。

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

使用std::memcpy 在記憶體位置之間複製位元組是另一個安全的選擇。它適用於以下情況：

• 來源類型和目標類型的大小匹配。
• 記憶體佈局不依賴平台。
• 源的生命週期物件被管理。

3.使用std::launder 放置new (C 17)

此技術可用於使用現有物件x:

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

的記憶體建立T 型的新物件：

它是與std::bit_cast類似，但允許在轉換之前修改記憶體內容。

4. std::byte和reinterpret_cast

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

std::byte代表單一位元組，可以用來重新解釋其他類型的位元模式：

這個方法和原來的類似reinterpret_cast，但它允許明確控製位元組排序和對齊。

重寫快速逆平方根函數

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，快速平方根反函數可以重寫如下：

這個版本安全、高效能，並且遵循現代C 最佳實務。

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