如何编写 constexpr 交换函数来更改整数的字节顺序？

Question

如何在不依赖编译器扩展的情况下编写 constexpr 函数来交换整数的字节顺序，您能否举例说明如何做到这一点？

Answer 1

是的，这很简单；这是一个递归（C++11 兼容）实现（仅限无符号整数类型）：

#include <climits>
#include <cstdint>
#include <type_traits>

template<class T>
constexpr typename std::enable_if<std::is_unsigned<T>::value, T>::type
bswap(T i, T j = 0u, std::size_t n = 0u) {
  return n == sizeof(T) ? j :
    bswap<T>(i >> CHAR_BIT, (j << CHAR_BIT) | (i & (T)(unsigned char)(-1)), n + 1);
}

Example.

这里我使用 j 作为累加器，n 作为循环计数器（索引字节）。

如果您有一个支持 C++17 fold expressions 的编译器，则可以编写一些扩展为您手写的内容：

template<class T, std::size_t... N>
constexpr T bswap_impl(T i, std::index_sequence<N...>) {
  return ((((i >> (N * CHAR_BIT)) & (T)(unsigned char)(-1)) <<
           ((sizeof(T) - 1 - N) * CHAR_BIT)) | ...);
}; //                                        ^~~~~ fold expression
template<class T, class U = typename std::make_unsigned<T>::type>
constexpr U bswap(T i) {
  return bswap_impl<U>(i, std::make_index_sequence<sizeof(T)>{});
}

这种形式的优点在于，因为它不使用循环或递归，所以您几乎可以保证获得最佳的汇编输出 - 在 x86-64 上，clang 甚至可以达到 work out to use the bswap instruction。

Answer 2

受 ecatmur 的启发，我建议使用以下解决方案，当编译器未检测到 bswap 时，该解决方案可能具有更好的性能（O(log(n)) 与 O(N)）。鉴于 N 通常 <=8 这可能是无关紧要的，仍然：

using std::numeric_limits;

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_unsigned<T>::value,T>::type
constexpr alternating_bitmask(const size_t step){
  T mask(0);
  for (size_t i=0;i<numeric_limits<T>::digits;i+=2*step){
    mask|=(~T(0)>>(numeric_limits<T>::digits-step))<<i;
  }
  return mask;
}

template <typename T>
typename std::enable_if<std::is_unsigned<T>::value,T>::type
constexpr bswap(T n){
  for (size_t i=numeric_limits<unsigned char>::digits;
              i<numeric_limits<T>::digits;
              i*=2) {
    n = ((n&(~(alternating_bitmask<T>(i))))>>i)|
        ((n&( (alternating_bitmask<T>(i))))<<i);
  }
  return n;
}

由于这种形式比 ecatmur 的解决方案更复杂，因此编译器的优化工作更难，但 clang 仍然发现我们指的是 bswap。

Answer 3

最后，C++23 允许使用标准库中的新函数 std::byteswap 轻松完成此操作： https://en.cppreference.com/w/cpp/numeric/byteswap

如何编写 constexpr 交换函数来更改整数的字节顺序？

How to write constexpr swap function to change endianess of an integer?

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