像 `std::bit_cast` 這樣的現代 C 機制如何幫助您安全地執行類型雙關？

C 中的現代類型雙關

在C 中，類型雙關，將一種類型的位模式解釋為不同類型的實踐，在浮點優化等特定情況下可能是一種有用的技術。然而，它也存在缺陷，包括未指定的行為、嚴格的別名和生命週期問題。

為了應對這些挑戰，C 引入了多種安全高效的類型雙關機制，包括：

• std::reinterpret_cast:傳統的reinterpret_cast仍然存在未定義行為和別名衝突的問題。
• std::static_cast:與void*、static_cast結合可以提供比 reinterpret_cast 更明確、更安全的強制轉換。
• std::bit_cast: 在 C 20 中引入，std::bit_cast 提供了一種類型安全且高效的按位執行方式轉換而不違反嚴格的別名規則。
• std::memcpy: 雖然沒有明確設計用於類型雙關，但 memcpy 可用於將一個對象的位元模式複製到另一個對象，從而實現安全重新解釋。
• std::launder: 可用來將指標轉換為不違反嚴格別名規則的指標。

具體使用std::bit_cast 重寫快速反平方根函數的問題將是最安全、最高效的方法：

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;
}

此解決方案避免了未定義的行為和別名違規，同時保留了效能。 std::bit_cast 經過編譯器的良好最佳化，產生符合 C 類型系統的高效能程式碼。

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