为 64 位和 32 位构建创建一个指针大小的联合

Question

我想创建一个像下面这样的联合

union {
    long i;
    float f;
    void* ptr;
};

其中成员 i 和 f 将始终是 ptr 的大小（对于 32 位浮点和长整数 / 对于 64 位双精度和长整数）。

以最少的宏使用来实现这一目标的最佳方法是什么？

Answer 1

请注意，联合类型双关语（写入一个成员然后读取另一个成员）在 ISO C++ 中是未定义的行为。它在 ISO C99 中得到了很好的定义，在 GNU C++ 中作为扩展。 （以及其他一些 C++ 编译器，我认为包括 MSVC。）还要小心作为联合成员的非平凡可复制类型（带有构造函数/析构函数）。

除了类型双关语（例如手动多态性）之外，联合当然还有其他用途，这样的事情可能有意义。

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uintptr_t 就是因为这个原因而存在的。（或者 intptr_t 或 ptrdiff_t，如果出于某种原因你想要一个签名类型）。

但对于 float 与 double，您将需要预处理器。 UINTPTR_MAX 提供了一种使用预处理器检查指针宽度的方法，这与 sizeof(void*) 不同

请注意，uintptr_t 通常与指针的宽度相同，但类型名称被定义为可以存储指针值的类型名称。对于 32 位平台上的 floatptr_t，情况并非如此。 （有趣的事实：它将在 x86-64 上用于“规范”48 位地址¹）。如果这让您感到困扰或者您担心它会扭曲您对uintptr_t 的看法，请选择其他名称； floatptr_t 看起来很短，即使它是“错误的”。

#include <stdint.h>

// assumption: pointers are 32 or 64 bit, and float/double are IEEE binary32/binary64
#if UINTPTR_MAX > (1ULL<<32)    
  typedef double floatptr_t;
#else
  typedef float  floatptr_t;
#endif

static_assert(sizeof(floatptr_t) == sizeof(void*), "pointer width doesn't match float or double, or our UINTPTR_MAX logic is wrong");

union ptrwidth {
    uintptr_t  u;
    intptr_t   i;
    floatptr_t f;
    void    *ptr;
};

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为了对此进行测试，我使用 x86 32 位 gcc -m32 和 gcc (x86-64) 以及 MSVC 32 和 64 位以及 ARM 32 位编译它 on the Godbolt compiler explorer。

int size = sizeof(ptrwidth);

int size_i = sizeof(ptrwidth::i);
int size_f = sizeof(ptrwidth::f);
int size_ptr = sizeof(ptrwidth::ptr);

# gcc -m32 output
size_ptr:          .long   4
size_f:            .long   4
size_i:            .long   4
size:              .long   4

# gcc -m64 output
size_ptr:          .long   8
size_f:            .long   8
size_i:            .long   8
size:              .long   8

从而确认联合本身和每个成员都具有预期的大小。

MSVC 也可以，编译成int size_f DD 08H 或04H 等等。

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脚注 1：在 x86-64 上，规范虚拟地址是 48 位符号扩展为 64，因此您可以实际上通过 @987654342 往返传递一个指针值@->double 转换和返回没有舍入错误。但不是uintptr_t->double 对于至少不是 2 字节对齐的高半地址。 （并且uint64_t double 转换速度很慢，没有 AVX512F。）

在当前硬件上，非规范虚拟地址错误。

在 32 位模式下，线性地址被限制为 32 位。 PAE 允许多个 32 位进程各自使用不同的 4GB 物理内存，但 seg:off -> 32 位线性发生在页表查找之前。使用 48 位 seg:off 地址不会为您获得更大的地址空间，因此编译器不会这样做。 32 位指针是seg:off 地址的off 部分，段基数固定为零，因此它们与线性虚拟地址相同。与具有 64 位偏移的 64 位模式相同。