如何使用#define 语句对 C 中的“float”类型变量执行字节交换？

Question

我正在修改从字节交换例程库1 获得的一段代码，并学习按位操作、#define 的用法、指针和类型转换：

#define __bswap_constant_32(x) \
  ((((x) & 0xff000000) >> 24) | (((x) & 0x00ff0000) >>  8) |               \
  (((x) & 0x0000ff00) <<  8) | (((x) & 0x000000ff) << 24))

在函数中使用 sn-p 可以按预期工作：

void swapbytes32(void *pt)
{
    *((unsigned int *)pt) = (((  *((unsigned int *)pt) & 0xff000000) >> 24) | ((  *((unsigned int *)pt) & 0x00ff0000) >>  8) |   \
     ((  *((unsigned int *)pt) & 0x0000ff00) <<  8) | ((  *((unsigned int *)pt) & 0x000000ff) << 24));
}

例如调用

float x = 1.0;
swapbytes32((void*)(&x)); 

给出 x = 0x0 0 80 3f 并交换了 x = 0x3f 80 0 0

但请注意所有尴尬的类型转换。类型转换的正确用法让我感到困惑。在上面的函数中，我用它来抑制错误，例如：

在函数“swapbytes32”中：hex_testi_3.c:200:31：警告： 取消引用 'void *' 指针 [默认启用] *((unsigned int *)pt) = ((( *pt) & 0xff000000) >> 24) | (( *pt) & 0x00ff0000) >> 8) | \

这是我认为到目前为止我所理解的：

• 无法取消引用 void 指针，因为您不知道隐含类型的字节长度或有关如何在操作中使用数据的信息。
• 上面的类型转换告诉编译器将地址中的数据类型视为unsigned int，但不会更改存储数据的按位结构。

我不完全确定的是为什么在某些情况下编译器会根据我执行类型转换的位置而犹豫，或者没有按预期执行转换。

如何使用上述#define 语句（或类似语句）对float 类型变量执行字节交换？

Answer 1

在浮点数和它的位表示形式之间转换为 int 的一种简单方法是使用联合而不是强制转换指针。如果可以保证 int 的大小与 float 的大小相同，则一个应该保存另一个的整个位模式，而不需要 any 中间类型转换。在stdint.h 和float 的IEEE754 单一标准化（几乎无处不在，但您可以使用#ifdef __STDC_IEC_559__ 对其进行测试）之间，这在大多数系统上应该是安全的。

您可以编写一个简单的包装宏，将浮点数转换为 int，然后再将其传递给上面给出的交换实现：

#define BSWAP_FLOAT(F) \
  __bswap_constant_32((union { uint32_t i; float f; }){ .f = (F) }.i)

这会就地创建一个匿名联合，用浮点值初始化其f 字段，并通过i 字段读回其位模式（然后将其传递给交换宏）。

要将宏 back 的返回值转换为另一个浮点数，请将其包装在另一个相反的联合文字表达式中，使用 int 进行初始化并提取浮点数（显示为第二个包装器为简单起见）：

#define BSWAP_FLOAT2(F) \
  ((union { uint32_t i; float f; }){ .i = BSWAP_FLOAT(F) }.f)

就地联合文字对于这类事情非常有用。

查看实际操作：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

#define __bswap_constant_32(x) \
  ((((x) & 0xff000000) >> 24) | (((x) & 0x00ff0000) >>  8) |               \
  (((x) & 0x0000ff00) <<  8) | (((x) & 0x000000ff) << 24))

#define BSWAP_FLOAT(F) \
  __bswap_constant_32((union { uint32_t i; float f; }){ .f = (F) }.i)

#define FLOAT_BITS(F) ((union { uint32_t i; float f; }){ .f = (F) }.i)

int main(void) {
    float f = 4.0f;
    printf("%x %x\n", FLOAT_BITS(f), BSWAP_FLOAT(f));
}

Answer 2

此代码调用未定义的行为，因为它通过不兼容的类型（float 与 unsigned int）访问对象，从而严重违反了严格的别名规则。您可以利用此规则的一个例外：允许使用指向字符类型的指针检查对象的表示。

另外，你真的不需要每次都拼出演员表；为什么不只声明一个指针一次？像这样：

void swap_byte_order(void *ptr, size_t n)
{
    unsigned char *p = ptr, *q = p + n - 1;
    for (; p < q; p++, q--) {
        unsigned char tmp = *p;
        *p = *q;
        *q = tmp;
    }
}

用法：

float f = 3.14;
swap_byte_order(&f, sizeof f);

更干净，严格符合，整体更好。

Answer 3

当我起草这个问题时，我意识到我比我意识到的更接近答案。到目前为止，这是我所得到的：

尝试在定义语句中使用指针。

例如，如果我定义以下内容

#define bswap_constant_32_(px) \
                    *(px)=  ( ((  *(px) & 0xff000000) >> 24) \
                            | ((  *(px) & 0x00ff0000) >>  8) \
                            | ((  *(px) & 0x0000ff00) <<  8) \
                            | ((  *(px) & 0x000000ff) << 24));

如果

unsigned int n = 123456;

以下任一作品：

n = bswap_constant_32(&n);
bswap_constant_32(&n);

// n before: 0x40       e2        1        0
//    after: 0x 0        1       e2       40

因为数据类型（以及位结构）匹配。

但是，这是可行的：

 float x = 1.0;
 bswap_constant_32((unsigned int*)(&x));

但这不是：

 x=bswap_constant_32((unsigned int*)(&x));

结果：0x0 3f 0 47

编译器似乎会执行数据类型转换并在将数据传递给x 之前重新排列底层位。

Answer 4

你们都非常正确，你们很接近，并且指针提供了答案。您可以使用简单的强制转换对特定地址的float 值进行操作，并将结果分配给unsigned integer。您可以完全消除下面的swapped，并使用printf (" __bswap_constant_32 : %02x\n\n", __bswap_constant_32(*ai)); 产生相同的输出。看看：

#include <stdio.h>

#define __bswap_constant_32(x) \
((((x) & 0xff000000) >> 24) | (((x) & 0x00ff0000) >>  8) |               \
(((x) & 0x0000ff00) <<  8) | (((x) & 0x000000ff) << 24))

int main (void) {

    float f = 123.45;
    unsigned int *ai = (unsigned int *)&f;
    unsigned int swapped;

    printf ("\nSwapping bytes of float: '%.2f'\n\n", f);
    printf (" %.2f as unsigned int: %02x\n\n", f, *ai);

    swapped = __bswap_constant_32(*ai);

    printf ("  __bswap_constant_32  : %02x\n\n", swapped);

    return 0;
}

输出：

$ ./bin/bswc

Swapping bytes of float: '123.45'

 123.45 as unsigned int: 42f6e666

  __bswap_constant_32  : 66e6f642