Wie können moderne C-Mechanismen wie „std::bit_cast' Ihnen dabei helfen, Typ-Wortspiele sicher durchzuführen?

Modernes Type Punning in C

In C ist Type Punning die Praxis, ein Bitmuster eines Typs als einen anderen Typ zu interpretieren, kann in bestimmten Situationen wie Gleitkommaoptimierungen eine nützliche Technik sein. Es bringt jedoch seine Fallstricke mit sich, darunter nicht spezifiziertes Verhalten, striktes Aliasing und Probleme mit der Lebensdauer.

Um diese Herausforderungen anzugehen, hat C mehrere Mechanismen für sicheres und effizientes Typ-Wortspiel eingeführt, darunter:

• std::reinterpret_cast: Der traditionelle reinterpret_cast hat immer noch Probleme mit undefiniertem Verhalten und Aliasing Verstöße.
• std::static_cast: In Kombination mit void* kann static_cast eine explizitere und sicherere Umwandlung bieten als reinterpret_cast.
• std::bit_cast: std::bit_cast wurde in C 20 eingeführt und bietet eine typsichere und effiziente Möglichkeit zur Ausführung Bitweise Konvertierung ohne Verstoß gegen strenge Aliasing-Regeln.
• std::memcpy: Obwohl memcpy nicht explizit für das Typ-Wortspiel konzipiert ist, kann es verwendet werden, um das Bitmuster eines Objekts auf ein anderes zu kopieren. Dies ermöglicht eine sichere Neuinterpretation.
• std::launder: Kann zum Konvertieren von a verwendet werden Zeiger auf einen Zeiger, der nicht gegen strenge Aliasing-Regeln verstößt.

Für das konkrete Problem des Umschreibens der schnellen inversen Quadratwurzelfunktion wäre die Verwendung von std::bit_cast der sicherste und leistungsstärkste Ansatz:

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;
}

Diese Lösung vermeidet undefiniertes Verhalten und Aliasing-Verstöße und erhält gleichzeitig die Leistung. std::bit_cast wird von Compilern gut optimiert und erzeugt effizienten Code, der dem C-Typ-System entspricht.

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