C++ XOR 交换浮点值

Question

是否可以在 C++ 中使用具有浮点值的 XOR 交换算法？

但是维基百科说：

XOR bitwise operation to swap values of distinct variables having the same data type

但我有点困惑。使用此代码：

void xorSwap (int* x, int* y) {
   *x ^= *y;
   *y ^= *x;
   *x ^= *y;
}

int main() {

   float a = 255.33333f;
   float b = 0.123023f;
   xorSwap(reinterpret_cast<int*>(&a), reinterpret_cast<int*>(&b));
   std::cout << a << ", " << b << "\n";

   return 0;
}

它似乎可行（至少在 gcc 下是这样），但我担心如果需要，是否允许这种做法？

Answer 1

从技术上讲，您提出的问题是可能的，但正如 IInspectable 明确评论的那样，它会导致 UB（未定义行为）。
无论如何，我建议您改用 std::swap，它是一个模板，通常专门用于特定的数据类型，并且设计得很好。

Answer 2

如果 int 与 float 大小相同，它将在任何合理的体系结构上实际工作。 float 中的内存是一组位，您解释这些位并使用 xor 操作完全交换它们。然后您可以再次使用这些位作为正确的 floats。您引用的引述仅表示您交换的两个值需要属于同一类型，并且都是 ints.

但是，在某些体系结构上，这可能会导致在不同类型的寄存器之间移动，或者显式地将寄存器刷新到内存中。如今，您将在几乎所有具有合理优化编译器的合理架构上看到的是，使用 std::swap 或带有临时变量的表达式的显式交换实际上更快。

即你应该写：

float a = 255.33333f;
float b = 0.123023f;
float tmp = a;
a = b;
b = tmp;

或者最好是：

float a = 255.33333f;
float b = 0.123023f;
std::swap(a,b);

如果您的体系结构的标准库作者确定异或交换确实有益，那么您应该希望最后一种形式会使用它。就在不必要的神秘实现中隐藏意图而言，异或交换是一个典型的坏习语。它仅在严重 register-starved 优化器不佳的情况下才有效。

Answer 3

您的代码调用了未定义的行为。在 C 或 C++ 中将 float* 转换为 int* 并照此使用是不合法的。 reinterpret_cast 应该用于在具有兼容布局的不相关结构之间进行转换，或者在类型指针和 void*.

之间临时进行转换

哦，在这种特殊情况下，UB 不仅仅是学术问题。编译器可能会注意到 xorSwap() 没有触及任何 floats，执行语言别名规则允许的优化，并打印出 a 和 [= 的原始值17=] 而不是交换值。这甚至还没有进入 int 和 float 具有不同大小或对齐方式的架构。

如果您想安全地执行此操作，则必须 memcpy() 从浮点数到无符号字符数组，在循环中执行 XOR，然后 memcpy() 返回。这当然会使操作比正常交换慢。当然，xor-based 交换已经比正常交换慢了。

Answer 4

是：

a) 在编译器允许的情况下可能。

b) 标准没有定义行为的操作（即未定义的行为）

c) 在 gcc 上，实际上比准确说明你想要的更有效：

给定：

void xorSwap (unsigned int* x, unsigned int* y) {
   *x ^= *y;
   *y ^= *x;
   *x ^= *y;
}

void swapit3(float& a, float&b)
{
  xorSwap(reinterpret_cast<unsigned int*>(&a), reinterpret_cast<unsigned int*>(&b));
}

结果：

swapit3(float&, float&):                         # @swapit3(float&, float&)
        mov     eax, dword ptr [rdi]
        xor     eax, dword ptr [rsi]
        mov     dword ptr [rdi], eax
        xor     eax, dword ptr [rsi]
        mov     dword ptr [rsi], eax
        xor     dword ptr [rdi], eax
        ret

而这个：

void swapit2(float& a, float&b)
{
  std::swap(a,b);
}

结果：

swapit2(float&, float&):                         # @swapit2(float&, float&)
        mov     eax, dword ptr [rdi]
        mov     ecx, dword ptr [rsi]
        mov     dword ptr [rdi], ecx
        mov     dword ptr [rsi], eax
        ret

link: https://godbolt.org/g/K4cazx

C++ XOR 交换浮点值

C++ XOR swap on float values

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