static_cast<T>(-1) 是在没有 numeric_limits 的情况下生成全一位数据的正确方法吗？

Posted 2023-02-22

【中文标题】static_cast<T>(-1) 是在没有 numeric_limits 的情况下生成全一位数据的正确方法吗？

【英文标题】：Is static_cast<T>(-1) the right way to generate all-one-bits data without numeric_limits?

【发布时间】：2016-08-09 02:54:44

【问题描述】：

我在无法访问 C++ 标准库的环境中编写 C++ 代码，特别是无法访问 std::numeric_limits。假设我要实现

template <typename T> constexpr T all_ones( /* ... */ )

专注于无符号整数类型，我该放什么？具体来说，static_cast<T>(-1) 是否足够好？ （根据我猜的大小，我可以将其他类型视为无符号字符数组。）

【问题讨论】：

我认为语言标准并没有规定 2 的补码，所以也许使用 ~0 而不是 -1... 哦，已经有一个答案准确地说明（或多或少）什么我以为...

所以您也无权访问<limits.h>？因为否则，您可以很容易地自己实现std::numeric_limits 之类的东西。

@ChristianHackl：对此不确定。但是，有了limits.h，我至少可以对所有数字类型进行明确的特化。

Is it safe to use -1 to set all bits to true?的可能重复

@DavidStone：在这个问题中，我们有：1. 模板多态性和 2. 非整数类型作为问题的次要部分，所以我认为这不是一个骗局。

【参考方案1】：

在0 上使用bitwise NOT 运算符~。

T allOnes = ~(T)0;

static_cast<T>(-1) 采用二进制补码，这是不可移植的。如果您只关心无符号类型，hvd's answer 是不错的选择。

工作示例：https://ideone.com/iV28u0

【讨论】：

二进制补码并没有到处使用是正确的，依赖于它的代码不可移植，但它在绝大多数系统中都有使用。

如果T 是short，那么~(short)0 首先将(short)0 提升回int。然后，您最终会得到一个可能超出short 范围的值，从而导致转换的实现定义的结果不必全是位。 （这对于二进制补码是不可能的，但您的答案专门试图解决对其他系统的可移植性。）

@hvd 为什么要宣传短片？全局 ~ 操作符是否不能保证有一个简短的实现？

@Andreas 好问题。这是因为继承自 C 的整体提升。C 由 dmr 设计为便于编译器编写者使用，因此所有可以表示为 int 的东西都被提升为 int，如果它不能表示为signed int，它被提升为unsigned int。

这种方法的另一个优点是它富有表现力。你想要全1，这与全零相反。阅读它的人知道它的作用。 “减一二补”方法的表达力不强，依赖于实现知识。

【参考方案2】：

专注于无符号整数类型，我该放什么？具体来说，static_cast(-1) 是否足够好

如果您只关心无符号类型，是的，转换 -1 对于所有标准 C++ 实现都是正确的。对无符号类型的操作，包括有符号类型到无符号类型的转换，保证以模数 (max+1) 工作。

【讨论】：

“所有标准 C++ 实现” - 谈论一个令人困惑的标签。这是由“标准”指定的，还是像其他答案声称的那样“实现”定义？

@underscore_d C++ 标准确实很好地定义了它。无符号类型需要完美溢出。它不适用于有符号类型，有符号溢出是未定义的。我的答案是实现定义或两者之一，但可以假设任何理智的实现都可以按照您的期望进行。

@underscore_d 我的方案不依赖它，hvd的方案也不依赖。

@Leandros 是的，nvm，模数是这里的关键。

@underscore_d 没错。 ;)

【参考方案3】：

这种令人放松的直接方式。

T allOnes;
memset(&allOnes, ~0, sizeof(T));

【讨论】：

@Leandros 和 Omni，如何/何时出现别名问题？

@Andreas 考虑过，从来没有。

这仅对 8 位字节有效。

我想初始化一个 constexpr 表达式，而不是在运行时设置值。

@einpoklum, 要求至少 8。虽然8位字节在业界已经占主导地位，但其他尺寸还是可以满足的；至少，非 8 位字节更有可能满足非 2 的补码负数。不过，这个问题很容易解决，只需使用~0 而不是0xFF。

【参考方案4】：

专注于无符号整数类型，我该放什么？ 具体来说，static_cast(-1) 是否足够好

是的，这已经足够了。

但我更喜欢十六进制值，因为我的背景是嵌入式系统，而且我一直必须知道 sizeof(T)。

即使在桌面系统中，我们也知道以下 T 的大小：

uint8_t  allones8  = 0xff;
uint16_t allones16 = 0xffff;
uint32_t allones32 = 0xffffffff;
uint64_t allones64 = 0xffffffffffffffff;

【参考方案5】：

另一种方法是

static_cast<T>(-1ull)

无论 1 的补码、2 的补码或符号幅度如何，这会更正确，并且可以在任何有符号整数格式下工作。你也可以使用static_cast<T>(-UINTMAX_C(1))

因为unary minus of an unsigned value被定义为

无符号量的负数是通过从 2^n 中减去它的值来计算的，其中 n 是提升的操作数中的位数。"

因此-1u 将始终在unsigned int 中返回全一位数据。 ll 后缀是为了使它适用于比unsigned long long 更窄的任何类型。 C++ 中还没有extended integer types，所以应该没问题

然而，表达意图更清晰的解决方案是

static_cast<T>(~0ull)

【讨论】：

字符数相同的解决方案如何“更简洁”？