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c++20のstd::bit_castに相当するコード

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tyu_ru_cpp

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前提・実現したいこと

c++20で標準ライブラリに実装されるstd::bit_castについて

std bit_cast - cpprefjp
std::bit_cast - cppreference.com

の説明を読んでいたところ、cpprefjpでは

そのような目的にはstd::aligned_storageとstd::memcpy()を組み合わせて使用することになるが、

となっていますが、cppreferenceにはc++17以前のコードとして

template <class To, class From>
typename std::enable_if<
    (sizeof(To) == sizeof(From)) &&
    std::is_trivially_copyable<From>::value &&
    std::is_trivial<To>::value,
    // この実装は To がトリビアルにデフォルト構築可能であることを要求します。
    To>::type
// constexpr のサポートはコンパイラマジックが必要です。
bit_cast(const From &src) noexcept
{
    To dst;
    std::memcpy(&dst, &src, sizeof(To));
    return dst;
}

が掲載されていました。こちらのコードにはstd::aligned_storageが使われていないようです。

教えていただきたいこと

  1. std::aligned_storageを用いる方法とそうでない方法で、どのような違いがあるか
  2. c++17以前でstd::bit_castのようなtype punningを行うとき、変換前後の型が整数型、浮動小数点型に限られる場合、constexprにこれを行う方法があるか

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checkベストアンサー

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std::aligned_storageを用いる方法とそうでない方法で、どのような違いがあるか

変換先型Toに対する「デフォルトコンストラクタの要求」有無が異なると思います。より汎用性の高い実装では、デフォルトコンストラクタを必要としない std::aligned_storage が必要となります。

cpprefjpの文言は、提案文書 P0476R2 からの引用・翻訳と思われます。原文後半にはaligned_storageが必要となる理由への言及があります(太字)。

Attuned developers use aligned_storage with memcpy, avoiding alignment pitfalls and allowing them to bit-cast non-default-constructible types.

提案者自身による実装例 jfbastien/bit_cast も、下記実装になっています(引用に際して一部簡略化しました):

template<typename To, typename From>
inline constexpr To bit_cast(const From& from) noexcept {
  typename std::aligned_storage<sizeof(To), alignof(To)>::type storage;
  std::memcpy(&storage, &from, sizeof(To));
  return reinterpret_cast<To&>(storage);
  // More common implementation:
  // std::remove_const_t<To> to{};
  // std::memcpy(&to, &from, sizeof(To));
  // return to;
}

c++17以前でstd::bit_castのようなtype punningを行うとき、変換前後の型が整数型、浮動小数点型に限られる場合、constexprにこれを行う方法があるか

C++17標準仕様の範囲内では不可能と思われます。だからこそ std::bit_cast 関数が追加されたはずです。C++20でも結局はコンパイラによる特殊サポートが必須となります。(std::bit_castは"コンパイラマジック”関数として実現されます)

提案文書 P0476R2 §1. Backgroundより引用:

Furthermore, it is currently impossible to implement a constexpr bit-cast function, as memcpy itself isn't constexpr. Marking the proposed function as constexpr doesn't require or prevent memcpy from becoming constexpr, but requires compiler support. This leaves implementations free to use their own internal solution (e.g. LLVM has a bitcast opcode).

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  • 2019/04/12 21:44

    ありがとうございました。解りやすかったです。

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こんにちは。

ごめんなさい。回答にはなりませんでした。

1.std::aligned_storageを用いる方法とそうでない方法で、どのような違いがあるか

cppreference のようなコードの場合、TO の領域を確保した時に TO のコンストラクタが走ると思います。
その上で、データを上書きするのでかなり危険な感じがします。

TO は std::is_trivially_copyable が true ですが、trivially_copyableな型でもコンストラクタを持てないわけではなさそうです。
しかし、上記ページにはis_trivially_copyableであれば std::memcpy 可能とも書かれていますね。例えば、副作用があるようなデフォルト・コンストラクタを持っている型へ std::memcpy ってリスキーな印象を受けます。
更にしかし、規格上それがプログラマの責任とされているのならば、cppreference のコードも規格内ということになりそうです。

そして、そのようなコンストラクタの発動を恐れる場合は、アライメントが取れているメモリ領域を確保してそこへ std:memcpy すればよいと思いますので、このような実装をする場合には、std::aligned_storage を使うとスマートにかけそうです。
この辺は、ライブラリの実装者の考え方に依存しそうです。(なんとなくgccは前者、msvcは後者をとりそうな。偏見かも?)

2.c++17以前でstd::bit_castのようなtype punningを行うとき、変換前後の型が整数型、浮動小数点型に限られる場合、constexprにこれを行う方法があるか

ここの A Proposal to Add Constexpr Modifiers to Functions in <algorithm> and <cstring> Headers を見るとこの提案がC++17に採用されていなかった場合、compiler intrinsics を使わないと無理そうですね。

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  • 2019/04/12 18:15

    yumetodoさん
    copyやmoveをユーザ定義していないものは、std::memcpyでコピーしても安全な筈ということでしょうか?(その他にもいくつか条件が合ってそれらも満たせばOKということですね。)
    なんとなく成り立ちそうな気もしますが、そうでもないケースはありそうです。

    デフォルト・コンストラクタのみユーザ定義し、その中で新規生成した旨をログ出力しているクラスが有ったとします。その他のtrivially_copyable の条件も満たしているものとします。
    このクラスのインスタンスに対するstd::bit_cast処理は、cppreference.com のサンプル・コードのような実装とyohhoyさんが書かれている原提案者のような実装では振る舞いが異なります。前者の実装ではデバッグで地獄を見そうな気がします。(bit_castする度にインスタンスが新規生成されるけど、その後一切動かないように見える筈)
    そして、その地獄の責任は「cppreference.com のサンプル・コードのような実装をしたプログラマ」に帰属するような気がします。このケースではコピー・コンストラクタが行わないコンストラクト処理を実行してはいけないと思います。
    ここは安全性より性能(もしくは自由度)を優先した結果、中途半端な理解が不具合を潜在化させたということと理解しました。(C++ではよくあることかも)

    キャンセル

  • 2019/04/12 19:13

    それは意図しないタイミングでctorを呼ばれるのがまずい、という話であって、コピーして大丈夫かとは話が異なるのではないかなと

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  • 2019/04/12 19:48 編集

    yumetodoさん
    あああ、なるほど!
    trivially_copyable なクラスは、コピーコンストラクタやコピー代入演算子の代わりに std::memcpy を使ってコピーした時、コピーコンストラクタやコピー代入演算子で得られる結果と同じ結果が得られる筈ということですね。
    コピー以外の局面については関知しないということか。確かに最初からそう言ってますね。やっと追いつけたようです。申し訳ない。

    cppreference.com のサンプル・コードはデフォルト・コンストラクタを呼び出すという副作用があるので好ましい実装ではなく、副作用のない実装をするには コンストラクタを起動しない方法でメモリ獲得するべきだけど配列等で単にメモリを確保するだけではアライメントが取れていない可能性があるから、aligned_storage を使えばOKということですね。

    ありがとうです!!

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