使用联合来简化强制转换

Question

我意识到我想做的事情并不安全。但我只是在做一些测试和图像处理，所以我的重点是速度。

现在，这段代码为我提供了 32 位像素值类型的相应字节。

struct Pixel {
    unsigned char b,g,r,a;
};

我想检查是否有一个像素低于某个值（例如r, g, b <= 0x10）。我想我只想用 0x00E0E0E0 对像素的位和位进行条件测试（这里可能有错误的字节序）以获得暗像素。

我认为应该有一种方法来设置它，而不是使用这个丑陋的混乱 (*((uint32_t*)&pixel)) 来获取 32 位无符号 int 值，所以我可以只使用pixel.i，同时保留使用pixel.g引用绿色字节的能力。

我可以这样做吗？这是行不通的：

struct Pixel {
    unsigned char b,g,r,a;
};
union Pixel_u {
    Pixel p;
    uint32_t bits;
};

我需要编辑现有的代码来表示 pixel.pg 来获取绿色字节。如果我这样做，也会发生同样的情况：

union Pixel {
    unsigned char c[4];
    uint32_t bits;
};

这也可以，但我仍然需要将所有内容更改为索引到 c 中，这有点难看，但如果我真的需要的话，我可以让它与宏一起工作。

Answer 1

（已编辑）gcc 和 MSVC 都允许“匿名”结构/联合，这可能会解决您的问题。例如：

union Pixel {
   struct {unsigned char b,g,r,a;};
   uint32_t bits;  // use 'unsigned' for MSVC
}

foo.b = 1;
foo.g = 2;
foo.r = 3;
foo.a = 4;
printf ("%08x\n", foo.bits);

给出（在 Intel 上）：

04030201

这需要将所有 struct Pixel 声明更改为 union Pixel你的原始代码。但这个缺陷可以通过以下方式修复：

struct Pixel {
    union {
        struct {unsigned char b,g,r,a;};
        uint32_t bits; 
    };
} foo;

foo.b = 1;
foo.g = 2;
foo.r = 3;
foo.a = 4;
printf ("%08x\n", foo.bits);

这也适用于 VC9，带有“警告 C4201：使用非标准扩展：无名结构/联合”。例如，微软使用了这个技巧：

typedef union {
    struct {
        DWORD LowPart;
        LONG HighPart;
    };  // <-- nameless member!
    struct {
        DWORD LowPart;
        LONG HighPart;
    } u;
    LONGLONG QuadPart;
} LARGE_INTEGER;

但他们通过抑制不需要的警告来“作弊”。

虽然上面的示例没问题，但如果您过于频繁地使用此技术，您很快就会得到无法维护的代码。为了让事情变得更清晰，有五个建议：

(1) 将名称 bits 更改为更难看的名称，例如 union_bits，以清楚地表明某些不寻常的东西。

(2) 回到OP拒绝的丑陋的转换，但将其丑陋隐藏在宏或内联函数中，如下所示：

#define BITS(x) (*(uint32_t*)&(x))

但这会打破严格的别名规则。 （例如，参见 AndreyT 的回答：C99 严格别名规则C++ (GCC)。）

(3) 保留 Pixel 的原始定义，但进行更好的转换：

struct Pixel {unsigned char b,g,r,a;} foo;
// ...
printf("%08x\n", ((union {struct Pixel dummy; uint32_t bits;})foo).bits);

(4) 但这甚至更丑。您可以通过 typedef 修复此问题：

struct Pixel {unsigned char b,g,r,a;} foo;
typedef union {struct Pixel dummy; uint32_t bits;} CastPixelToBits;
// ...
printf("%08x\n", ((CastPixelToBits)foo).bits);    // not VC9

使用 VC9 或使用 -pedantic 的 gcc，您需要（不要将其与 gcc 一起使用--参见末尾的注释）：（

printf("%08x\n", ((CastPixelToBits*)&foo)->bits); // VC9 (not gcc)

5）宏可能是首选。在 gcc 中，您可以非常巧妙地定义对任何给定类型的联合强制转换：

#define CAST(type, x) (((union {typeof(x) src; type dst;})(x)).dst)   // gcc
// ...
printf("%08x\n", CAST(uint32_t, foo));

对于 VC9 和其他编译器，没有 typeof，并且可能需要指针（不< /strong> 与 gcc 一起使用 - 请参阅末尾的注释）：

#define CAST(typeof_x, type, x) (((union {typeof_x src; type dst;}*)&(x))->dst)

自记录，更安全。而且也不算太难看。所有这些建议都可能编译为相同的代码，因此效率不是问题。另请参阅我的相关答案：如何格式化函数指针？。

关于 gcc 的警告：GCC 手册版本 4.3.4（但不是版本 4.3.0）声明最后一个示例带有 &(x)，是未定义的行为。请参阅http://davmac.wordpress.com/2010/01 /08/gcc-strict-aliasing-c99/ 和 http ://gcc.gnu.org/ml/gcc/2010-01/msg00013.html。

Answer 2

联合内部结构的问题是，编译器可以在结构（或类）的成员之间添加填充字节，除了位字段。

给定：

struct Pixel
{
  unsigned char red;
  unsigned char green;
  unsigned char blue;
  unsigned char alpha;
};

这可以布局为：

Offset  Field
------  -----
0x00    red
0x04    green
0x08    blue
0x0C    alpha

因此结构的大小将为 16 字节。

当放入联合体时，编译器将采用两者中较大的容量来确定空间。此外，如您所见，32 位整数无法正确对齐。

我建议创建函数来组合并提取 32 位数量的像素。您也可以将其声明为内联：

void Int_To_Pixel(const unsigned int word,
                  Pixel& p)
{
  p.red =   (word & 0xff000000) >> 24;
  p.blue =  (word & 0x00ff0000) >> 16;
  p.green = (word & 0x0000ff00) >> 8;
  p.alpha = (word & 0x000000ff);
  return;
}

这比联合内的结构（包括带有位字段的结构）可靠得多：

struct Pixel_Bit_Fields
{
  unsigned int red::8;
  unsigned int green::8;
  unsigned int blue::8;
  unsigned int alpha::8;
};

阅读此内容是否为红色仍然存在一些谜团是 MSB 或 alpha 是 MSB。通过使用位操作，阅读代码时不会有任何问题。

只是我的建议，YMMV。

Answer 3

为什么不把丑陋的混乱变成内联例程呢？类似于：

inline uint32_t pixel32(const Pixel& p)
{
    return *reinterpret_cast<uint32_t*>(&p);
}

您还可以将此例程提供为 Pixel 的成员函数，称为 i()，这将允许您通过 pixel.i 访问该值() 如果您愿意这样做。 （当不需要强制执行不变量时，我倾向于将功能与数据结构分开。）