型ダジャレ

コンピュータサイエンスにおいて、型パンニングとは、形式言語の範囲内では実現が困難または不可能な効果を実現するために、 プログラミング言語の型システムを破壊または回避するプログラミング手法のことです。

CおよびC++では、ポインター 型変換やunion(C++ では参照型変換やがこのリストに追加されています)などの構造reinterpret_castが提供されており、さまざまな種類の型パンニングを許可していますが、一部の種類は実際には標準言語でサポートされていません。

Pascalプログラミング言語では、バリアントを持つレコードを使用すると、特定のデータ型を複数の方法で処理したり、通常は許可されていない方法で処理したりすることができます。

型パンニングの典型的な例の 1 つは、 Berkeley ソケットインターフェイスにあります。開かれているが初期化されていないソケットをIP アドレスにバインドする関数は、次のように宣言されています。

int bind ( int sockfd 、struct sockaddr * my_addr 、socklen_t addrlen );       

このbind関数は通常、次のように呼び出されます。

構造体sockaddr_in sa = { 0 }; int sockfd = ...; sa . sin_family = AF_INET ; sa . sin_port = htons ( port ); bind ( sockfd , ( struct sockaddr * ) & sa , sizeof sa );    
   
  
  
     

Berkeley ソケット ライブラリは、基本的に、 Cではへのポインタがstruct sockaddr_inへのポインタに自由に変換可能であることstruct sockaddr、さらに 2 つの構造体型が同じメモリ レイアウトを共有するという事実に依存しています。したがって、構造体フィールドmy_addr->sin_family(my_addrは型struct sockaddr*) への参照は、実際にはフィールドsa.sin_family(saは型) を参照します。言い換えると、ソケット ライブラリは、型のパンニングを使用して、基本的な形式のポリモーフィズムまたは継承をstruct sockaddr_in実装します。

プログラミングの世界では、実質的に同じストレージ スペースに異なる種類の値を格納できるようにするために、「パディングされた」データ構造がよく使用されます。これは、最適化のために 2 つの構造が相互排他的に使用される場合によく見られます。

前の例のように、すべての型パンニングの例に構造体が含まれるわけではありません。浮動小数点数が負であるかどうかを判定するとします。次のように記述できます。

bool is_negative ( float x ) { return x < 0.0f ; }   
       

ただし、浮動小数点の比較はコストが高く、 がIEEE 浮動小数点標準floatに従って表現され、整数が 32 ビット幅であると仮定すると、整数演算のみを使用して浮動小数点数の符号ビットを抽出するために型パンニングを行うことができます。

bool is_negative ( float x ) { int * i = ( int * ) & x ; return * i < 0 ; }   
        
       

動作がまったく同じではないことに注意してください。負のゼロxという特殊なケースでは、最初の実装では が返されますが、 2 番目の実装では が返されます。また、最初の実装では任意のNaN値に対してが返されますが、後者の実装では符号ビットが設定された NaN 値に対して が返される可能性があります。 falsetruefalsetrue

この種の型パンニングは、ほとんどの場合よりも危険です。前者の例は、構造体のレイアウトとポインタの変換可能性について C プログラミング言語によって行われた保証のみに依存していましたが、後者の例では、特定のシステムのハードウェアに関する仮定に依存しています。コンパイラが最適化できない時間重視のコードなど、状況によっては危険なコードが必要になる場合があります。このような場合、そのようなすべての仮定をコメントで文書化し、移植性の期待を検証するための静的アサーションを導入すると、コードを保守可能に保つのに役立ちます。

浮動小数点パンニングの実際の例としては、Quake IIIで普及した高速逆平方根、整数としての高速FP比較^[1]、整数として増分することで隣接する値を見つける（を実装）などがあります。^[2]nextafter

浮動小数点数のビット表現に関する仮定に加えて、上記の浮動小数点型のパンニングの例は、オブジェクトへのアクセス方法に関するC言語の制約にも違反しています。^[3]の宣言された型はxですfloatが、型 の式を通じて読み取られますunsigned int。多くの一般的なプラットフォームでは、異なるポインタがマシン固有の方法で整列されている場合に、このポインタパンニングの使用により問題が発生する可能性があります。さらに、異なるサイズのポインタが同じメモリへのアクセスをエイリアスする可能性があり、コンパイラによってチェックされない問題を引き起こします。ただし、データサイズとポインタ表現が一致する場合でも、コンパイラは非エイリアシング制約に依存して、許可されていないエイリアシングが存在する場合は安全でない最適化を実行できます。

ポインターを使用すると、単純な型パンニングを実現できます。(次の実行例では、型 の IEEE-754 ビット表現を想定していますfloat。)

bool is_negative ( float x ) { int32_t i = * ( int32_t * ) & x ; // C++ では、これは次と同等です: int32_t i = *reinterpret_cast<int32_t*>(&x); return i < 0 ; }   
       
      

C 標準のエイリアシング規則では、オブジェクトに格納された値は、互換性のある型の左辺値式によってのみアクセスされるものとされています。^[4]型floatとにはint32_t互換性がないため、このコードの動作は未定義です。GCC と LLVM では、この特定のプログラムは期待どおりにコンパイルおよび実行されますが、より複雑な例では、厳密なエイリアシングによって行われた仮定と相互作用し、望ましくない動作につながる可能性があります。このオプションは、-fno-strict-aliasingこの形式の型パンニングを使用してコードの正しい動作を保証しますが、他の形式の型パンニングを使用することが推奨されます。^[5]

C では、C++ とは異なり、 を介して型のパンニングを実行できる場合がありますunion。

bool is_negative ( float x ) { union { int i ; float d ; } my_union ; my_union . d = x ; return my_union . i < 0 ; }   
     
         
         
     
      
       

my_union.i最後に他のメンバーに書き込んだ後にアクセスすることはmy_union.d、C言語では型パンニングの許可された形式です。^[6]ただし、読み取られたメンバーが、値が設定されたメンバーよりも大きくない場合に限ります（そうでない場合、読み取りの動作は未定義になります^[7]）。同じことはC++でも構文的には有効ですが、未定義の動作になります。 ^[8]ただし、aの最後に書き込まれたメンバーのみunionが値を持つと見なされます。

型パンニングの別の例については、「配列のストライド」を参照してください。

C++20では、std::bit_cast関数は未定義の動作なしで型のパンニングを許可します。また、関数にラベルを付けることもできますconstexpr。

constexpr bool is_negative ( float x ) noexcept { static_assert ( std :: numeric_limits < float >:: is_iec559 ); // (IEEE 754 でのみ有効) auto i = std :: bit_cast < std :: int32_t > ( x ); return i < 0 ; }     
    
      
       

バリアント レコードを使用すると、参照されているバリアントに応じて、データ型を複数の種類のデータとして扱うことができます。次の例では、整数は 16 ビット、longintとrealは 32 ビット、文字は 8 ビットと想定されています。

type 
VariantRecord = record case RecType : LongInt of 1 : ( I : array [ 1 .. 2 ] of Integer ) ; (* ここでは示されていません: バリアント レコードの case ステートメントには複数の変数が存在する可能性があります *) 2 : ( L : LongInt ) ; 3 : ( R : Real ) ; 4 : ( C : array [ 1 .. 4 ] of Char ) ; end ;      
            
                   
                              
                                 
                    
        

var 
V :バリアントレコード; K :整数; LA : LongInt ; RA :本物; Ch :文字;       
       
      
      
      


V . I [ 1 ] := 1 ; Ch := V . C [ 1 ] ; (* これは VI の最初のバイトを抽出します *) V . R := 8.3 ; LA := V . L ; (* これは実数を整数に格納します *)  
        
        
           

Pascal では、実数を整数にコピーすると、切り捨てられた値に変換されます。この方法では、浮動小数点数のバイナリ値が長整数 (32 ビット) に変換されますが、これは同じではなく、一部のシステムでは長整数値と互換性がない可能性があります。

これらの例は奇妙な変換を作成するために使用される可能性がありますが、場合によっては、特定のデータ部分の位置を決定する場合など、これらのタイプの構造が正当な用途で使用されることもあります。次の例では、ポインターと longint は両方とも 32 ビットであると想定されています。

タイプ
PA = ^ Arec ;      

    Arec =レコードケースRT : LongInt of 1 : ( P : PA ) ; 2 : ( L : LongInt ) ;終了;  
            
                    
               
        

var 
PP : PA ; K : LongInt ;      
       


New ( PP ) ; 
PP ^. P := PP ; WriteLn ( '変数 PP はアドレス ' にあります、Hex ( PP ^. L )) ;  
 

ここで、「new」はポインターにメモリを割り当てる Pascal の標準ルーチンであり、「hex」は整数の値を表す 16 進文字列を印刷するルーチンであると考えられます。これにより、通常は許可されないポインターのアドレスを表示できるようになります。(ポインターは読み取りや書き込みはできず、割り当てのみ可能です。) ポインターの整数バリアントに値を割り当てると、システム メモリ内の任意の場所を調べたり、書き込んだりできるようになります。

PP ^. L := 0 ; PP := PP ^. P ; (* PP は現在アドレス 0 を指しています *) K := PP ^. L ; (* K にはワード 0 の値が含まれています *) WriteLn ( 'このマシンのワード 0 には ' 、K が含まれています) ;  
       
        
 

プログラムが実行されているマシンまたはプログラムが実行されているオペレーティング システムでアドレス 0 が読み取りから保護されている場合、この構造によりプログラム チェックまたは保護違反が発生する可能性があります。

C/C++ の再解釈キャスト手法は Pascal でも機能します。これは、たとえば、バイト ストリームから dword を読み取り、それを float として扱いたい場合に役立ちます。以下は、dword を float に再解釈キャストする実際の例です。

pReal = ^ Realと入力します。      

var 
DW : DWord ; F :実数;      
       

F := pReal ( @ DW ) ^;  

C# (および他の .NET 言語)では、型システムが原因で型のパンニングを実現するのが少し難しくなりますが、ポインターまたは構造体の共用体を使用すれば実現できます。

C# では、いわゆるネイティブ型、つまりstring他のネイティブ型のみで構成されるプリミティブ型 ( を除く)、列挙型、配列、または構造体へのポインターのみが許可されます。ポインターは、「unsafe」とマークされたコード ブロック内でのみ許可されることに注意してください。

float pi = 3.14159 ; uint piAsRawData = * ( uint * ) & pi ;   
   

構造体の共用体は、「安全でない」コードの概念なしで許可されますが、新しい型の定義が必要です。

[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]
構造体FloatAndUIntUnion { [FieldOffset(0)]パブリックfloat DataAsFloat ; 

    
      

    [FieldOffset(0)]
パブリックuint DataAsUInt ; }      


// ...

FloatAndUIntUnionユニオン; union.DataAsFloat = 3.14159 ; uint piAsRawData = union.DataAsUInt ;​​​​ 
  
   

生のCIL は、ほとんどの型制限がないため、C# の代わりに使用できます。これにより、たとえば、ジェネリック型の 2 つの列挙値を組み合わせることができます。

TEnum a = ...; TEnum b = ...; TEnum combined = a | b ; // 不正   
   
      

これは次の CIL コードで回避できます。

.メソッドpublic static hidebysig !! TEnum CombineEnums < valuetype . ctor ([ mscorlib ] System . ValueType ) TEnum > ( !! TEnum a 、!! TEnum b ) cil managed { . maxstack 2   
        
         
         
      

     

    ldarg . 0 ldarg . 1または// a と b は同じ型であり、したがってサイズも同じなので、オーバーフローは発生しません。ret } 
    
      
    

CILcpblkオペコードを使用すると、構造体をバイト配列に変換するなど、他のトリックも実行できます。

.メソッドpublic static hidebysig uint8 [] ToByteArray < valuetype . ctor ([ mscorlib ] System . ValueType ) T > ( !! T & v // C# では 'ref T' ) cil managed { . locals init ( [0] uint8 [] )   
        
          
      

      
         
    

    .最大スタック3 

    // 長さ sizeof(T) の新しいバイト配列を作成し、ローカル 0 に格納します
sizeof !! T newarr uint8 dup // 後で使用するためにスタックにコピーを保存します (1) stloc . 0     
     
               
    

    ldc . i4 . 0 
ldelema uint8     

    // memcpy(local 0, &v, sizeof(T)); 
// <配列はまだスタック上に存在します。(1) を参照してください> ldarg . 0 // これは 'v' の *アドレス* です。その型は '!!T&' だからです。sizeof !! T cpblk    
     
     
    

    ldloc . 0 
ret }    

• GCCマニュアルのセクション。-fstrict-aliasingこれは、ある種の語呂合わせを無効にします。
• C99標準の欠陥レポート257では、偶然にも「型パンニング」を の観点から定義しunion、上記の最後の例の実装定義の動作を取り巻く問題について議論しています。
• 型パンニングのためのユニオンの使用に関する欠陥レポート 283