将有符号整数位复制到无符号整数的有效方法

Question

/* [1] */
int i = -1;
unsigned u = (unsigned)i;

/* [2] */
int i = -1;
unsigned u;
memcpy(&u, &i, sizeof i);

/* [3] */
int i = -1;
unsigned u = *(unsigned *)&i;

为了将有符号整数位复制到它的无符号伙伴，[1] 应该可以在大多数机器上工作，但据我所知，这并不能保证行为。

[2] 应该完全符合我的要求，但我想避免调用库函数的开销。

那么[3]呢？它是否有效地实现了我的意图？

Answer 1

/* [4] */
union unsigned_integer
{
  int i;
  unsigned u;
};

unsigned_integer ui;
ui.i = -1;
// You now have access to ui.u

警告： 正如 cmets 中所讨论的，这在 C 和 C++ 中的未定义行为似乎没问题，因为您的问题有两个标签，我将把它留在这里。有关更多信息，请查看此 SO 问题：

Accessing inactive union member and undefined behavior?

然后我会在C++ 中为reinterpret_cast 提供建议：

/* [5] */
int i = -1;
unsigned u = reinterpret_cast<unsigned&>(i);

Answer 2

/* [1] */
int i = -1;
unsigned u = (unsigned)i;

↑ 这保证不会在符号和大小或 1 的补码机器上工作，因为转换为无符号保证会产生模 2 的有符号值ⁿ 其中 n 是无符号类型中的值表示位数。 IE。保证转换产生相同的结果就好像有符号类型使用二进制补码表示。

---

/* [2] */
int i = -1;
unsigned u;
memcpy(&u, &i, sizeof i);

↑ 这会很好地工作，因为类型保证具有相同的大小。

---

/* [3] */
int i = -1;
unsigned u = *(unsigned *)&i;

↑ 这在 C++11 及更早版本中是正式的未定义行为，但它是标准中“严格别名”子句中包含的情况之一，因此可能所有现存的编译器都支持它。此外，它也是reinterpret_cast 的一个示例用于。在 C++14 及更高版本中，关于未定义行为的语言已从 ⁽¹⁾关于左值到右值转换的部分中删除。

如果我这样做了，为了清楚起见，我会使用命名的 C++ 转换。

然而，我会尝试有时看起来标准的允许我做的不切实际的事情编译器必须说的话，特别是 g++ 及其严格的别名选项，无论它是什么，还有clang，因为它被设计为g++的直接替代品。

至少如果我计划使用这些编译器和选项的代码。

---

^{1) [conv.lval], §4.1/1 在 C++11 和 C++14 中。}

Answer 3

这是来自文档 N3797 的第 4.7 段“积分转换”，这是 C++14 标准的最新工作草案：

如果目标类型是无符号的，则结果值是最小的 与源整数一致的无符号整数（模 2ⁿ 其中 n 是 用于表示无符号类型的位数）。 [注：在一个 二进制补码表示，这种转换是概念性的，并且 位模式没有变化（如果没有截断）。 ——尾注]

大致上，世界上所有的计算机都使用二进制补码表示。所以 [1] 是要走的路（除非您将 C++ 移植到 IBM 7090）。

Answer 4

[3] 在 C 和 C++ 中都是正确的（从 C++14 开始，但以前不是）；在这种情况下不需要使用memcpy。 （也就是说，没有理由不使用memcpy，因为它可以有效地传达您的意图，显然是安全的，并且开销为零。）

C，6.5 表达式：

7 - 一个对象的存储值只能由具有以下之一的左值表达式访问 以下类型：[...]

• 对应于有效类型的有符号或无符号类型 对象，[...]

C++，[basic.lval]：

10 - 如果程序尝试通过非左值的左值访问对象的存储值 以下类型的行为未定义：[...]

• 对应于对象动态类型的有符号或无符号类型，[...]

如您所见，两个标准中的措辞非常相似，因此可以在两种语言中使用。