将int32类型转换为uint32类型是否无操作？

Question

我想将一个int32_t的位粘贴到uint32_t类型中，不进行任何转换，只是重新解释。以下代码恰好实现了我的要求：

int32_t  iA = -1;
uint32_t uA = *(uint32_t*)&iA;

但我在想，以下更容易编写的转换是否可靠，它会生成相同或更少的汇编代码，理想情况下只使用 mov 指令？ (即，它永远不会对其执行 "数学" 运算，保持底层位不变.)

int32_t  iB = -1;
uint32_t uB = (uint32_t)iB;

assert(uA == uB); // ?

- Anne Quinn

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@AnneQuinn 标准根本没有提到汇编，它只描述了程序应该如何运行。我在GCC上得到了相同的结果（少了一条指令），而Clang为两者生成了相同的汇编代码。 - HolyBlackCat

我会使用memcpy，它保证不改变任何位。 - alain

uint32 uA = *(uint32*)&iA; 像这样的类型转换在C++中几乎总是未定义的行为 - 虽然我对这种情况并不完全确定。无论如何，除非您确信并且已经仔细检查了语言或编译器明确允许这样做，否则根本不要考虑这样做。另一方面，将基本类型强制转换始终是安全的，尽管我建议使用 static_cast。毕竟这不是C。 - besc

@besc 这是可以将有符号/无符号类型进行别名处理的。 - rustyx

@AnneQuinn 在二进制补码结构（即所有现代结构）上，它总是不执行任何操作。此外，C++20将要求使用二进制补码。 - HolyBlackCat

Answer 1

在C++20之前，有符号整数的表示是实现定义的。但是，std::intX_t在C++20之前也被保证具有2s'补码表示：

int8_t、int16_t、int32_t和int64_t - 分别为宽度恰好为8、16、32和64位的有符号整数类型，不含填充位，并使用2's补码表示负值（仅在实现直接支持该类型时提供）

当您编写以下代码时：

std::int32_t  iA = -1;
std::uint32_t uA = *(std::uint32_t*)&iA;

您可以获得所有位设置的值。 标准指出，如果“类型类似于...与对象的动态类型相对应的有符号或无符号类型”，则可以通过std::uint32_t*类型的指针访问std::int32_t。 因此，严格来说，在取消引用指针之前，我们必须确保std::uint32_t确实是对应于std::int32_t的无符号类型:

static_assert(std::is_same_v<std::make_unsigned_t<std::int32_t>, std::uint32_t>);

当你编写代码时

std::int32_t  iB = -1;
std::uint32_t uB = (std::uint32_t)iB;

你依赖于将值转换为无符号类型，这是明确定义的并保证产生相同的值。

至于汇编语言，两个强制转换都不会产生任何操作：

std::uint32_t foo() {
    std::int32_t  iA = -1;
    static_assert(std::is_same_v<std::make_unsigned_t<std::int32_t>, std::uint32_t>);
    return *(std::uint32_t*)&iA;
}

std::uint32_t bar() {
    std::int32_t  iB = -1;
    return (std::uint32_t)iB;
}

result in:

foo():
        mov     eax, -1
        ret
bar():
        mov     eax, -1
        ret

- Evg

Answer 2

使用memcpy是避免类型别名时产生未定义行为的常见解决方案。 评论中指出，仅在有符号性质不同的类型别名是可以的，但对于例如float和int则不是这种情况。 只要对象表示对于该类型是有效的，memcpy的工作就可以了。 编译器在优化memcpy调用方面非常擅长，在这种情况下，调用被完全优化掉了。

- alain

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如果我能够接受多个答案…… 我最终使用了 memcpy，静态类型转换用于类型玩弄是一个坏主意，但我对问题的措辞过于狭隘。 - Anne Quinn