Набросок типа - Type punning

В Информатика, набирать текст - общий термин для обозначения любой техники программирования, которая подрывает или обходит система типов из язык программирования для достижения эффекта, который было бы трудно или невозможно достичь в рамках формального языка.

В C и C ++, конструкции, такие как указатель преобразование типов и союз - C ++ добавляет ссылка преобразование типов и reinterpret_cast к этому списку - предоставляются для того, чтобы разрешить многие виды каламбура, хотя некоторые из них фактически не поддерживаются стандартным языком.

в Паскаль язык программирования, использование записи с варианты может использоваться для обработки определенного типа данных более чем одним способом или способом, который обычно не разрешен.

Пример сокетов

Один классический пример каламбура можно найти в Розетки Berkeley интерфейс. Функция для привязки открытого, но неинициализированного сокета к айпи адрес объявляется следующим образом:

int связывать(int sockfd, структура sockaddr *my_addr, socklen_t адрес);

В связывать функция обычно вызывается так:

структура sockaddr_in са = {0};int sockfd = ...;са.sin_family = AF_INET;са.sin_port = htons(порт);связывать(sockfd, (структура sockaddr *)&са, размер са);

Библиотека сокетов Беркли в основном полагается на тот факт, что в C, указатель на struct sockaddr_in свободно конвертируется в указатель на struct sockaddr; и, кроме того, что два типа структур используют одну и ту же схему памяти. Следовательно, ссылка на поле структуры my_addr-> sin_family (куда my_addr относится к типу struct sockaddr *) фактически будет относиться к полю sa.sin_family (куда са относится к типу struct sockaddr_in). Другими словами, библиотека сокетов использует каламбур для реализации рудиментарной формы полиморфизм или же наследование.

В мире программирования часто встречается использование «дополненных» структур данных, позволяющих хранить различные типы значений в том же самом пространстве хранения. Это часто наблюдается, когда две структуры используются во взаимной исключительности для оптимизации.

Пример с плавающей точкой

Не во всех примерах каламбура используются структуры, как в предыдущем примере. Предположим, мы хотим определить, плавающая точка число отрицательное. Мы могли бы написать:

bool is_negative(плавать Икс) {    возвращаться Икс < 0.0;}

Однако предположим, что сравнения с плавающей запятой дороги, а также предположим, что плавать представлен согласно Стандарт IEEE с плавающей запятой, а целые числа имеют ширину 32 бита, мы могли бы использовать каламбур для извлечения знаковый бит числа с плавающей запятой, используя только целочисленные операции:

bool is_negative(плавать Икс) {    беззнаковый int *ui = (беззнаковый int *)&Икс;    возвращаться *ui & 0x80000000;}

Обратите внимание, что поведение не будет точно таким же: в особом случае Икс существование отрицательный ноль, первая реализация дает ложный а второй дает истинный.

Этот вид каламбура более опасен, чем большинство других. В то время как первый пример основывается только на гарантиях языка программирования C в отношении компоновки структуры и конвертируемости указателей, второй пример основывается на предположениях об аппаратном обеспечении конкретной системы. Некоторые ситуации, например срочный код, который компилятор иначе не смог бы оптимизировать, может потребоваться опасный код. В этих случаях документирование всех таких предположений в Комментарии, и представляя статические утверждения чтобы проверить ожидания переносимости, помогает сохранить код ремонтопригодный.

В качестве практического примера популяризировал Землетрясение III, видеть быстрый обратный квадратный корень.

В дополнение к предположению о битовом представлении чисел с плавающей запятой, предыдущий пример выбора типов с плавающей запятой также нарушает ограничения языка C на способ доступа к объектам:[1] заявленный тип Икс является плавать но это читается через выражение типа беззнаковое целое. На многих распространенных платформах такое использование перфорации указателей может создать проблемы, если используются разные указатели. согласовано в зависимости от машины. Кроме того, указатели разных размеров могут псевдоним обращается к той же памяти, вызывая проблемы, которые компилятор не контролирует.

Использование союз

Распространенной ошибкой является попытка исправить набор символов с помощью союз. (Кроме того, в этом примере все еще делается предположение о битовом представлении IEEE-754 типов с плавающей запятой.)

bool is_negative(плавать Икс) {    союз {        беззнаковый int ui;        плавать d;    } my_union = { .d = Икс };    возвращаться my_union.ui & 0x80000000;}

Доступ my_union.ui после инициализации другого члена, my_union.d, по-прежнему является разновидностью каламбура[2] в C, и результат неопределенное поведение[3] (и неопределенное поведение в C ++ [4]).

Язык § 6.5 / 7[1] может быть неправильно истолкован, чтобы подразумевать, что чтение альтернативных членов профсоюза допустимо. Однако текст - «Объект должен иметь сохраненное значение доступ только для… ". Это ограничивающее выражение, а не утверждение, что все возможные члены объединения могут быть доступны независимо от того, какой из них был сохранен последним. Таким образом, использование союз позволяет избежать проблем с простым перетаскиванием указателя напрямую.

Некоторым компиляторам нравится GCC поддерживают такие нестандартные конструкции, как расширение языка.[5]

Другой пример каламбура см. Шаг массива.

Паскаль

Вариантная запись позволяет обрабатывать тип данных как несколько видов данных в зависимости от того, на какой вариант ссылается. В следующем примере целое число предполагается 16-битным, а longint и настоящий считаются равными 32, а символ - 8-битным:

тип    VariantRecord = записывать        дело RecType : LongInt из            1: (я : множество[1..2] из Целое число);  (* здесь не показано: в операторе case вариантной записи может быть несколько переменных *)            2: (L : LongInt               );            3: (р : Настоящий                  );            4: (C : множество[1..4] из Char   );        конец;вар    V  : VariantRecord;    K  : Целое число;    ЛА : LongInt;    РА : Настоящий;    Ch : Характер;V.я[1] := 1;Ch     := V.C[1];  (* это извлечет первый байт V.I *)V.р    := 8.3;   ЛА     := V.L;     (* это сохранит вещественное число в целое число *)

В Паскале копирование действительного числа в целое число преобразует его в усеченное значение. Этот метод преобразует двоичное значение числа с плавающей запятой во что бы то ни было в виде длинного целого числа (32 бита), которое не будет таким же и может быть несовместимо со значением длинного целого числа в некоторых системах.

Эти примеры могут использоваться для создания странных преобразований, хотя в некоторых случаях могут быть законные применения для этих типов конструкций, например, для определения местоположения определенных фрагментов данных. В следующем примере предполагается, что указатель и longint являются 32-битными:

тип    PA = ^Арек;    Арек = записывать        дело RT : LongInt из            1: (п : PA     );            2: (L : LongInt);        конец;вар    PP : PA;    K  : LongInt;Новый(PP);PP^.п := PP;WriteLn('Переменная PP находится по адресу', Hex(PP^.L));

Где «новый» - это стандартная процедура в Паскале для выделения памяти для указателя, а «шестнадцатеричный» - предположительно процедура для печати шестнадцатеричной строки, описывающей значение целого числа. Это позволит отображать адрес указателя, что обычно не разрешается. (Указатели не могут быть прочитаны или записаны, их можно только присвоить.) Присвоение значения целочисленному варианту указателя позволит исследовать или записывать в любое место в системной памяти:

PP^.L := 0;PP    := PP^.п;  (* PP теперь указывает на адрес 0 *)K     := PP^.L;  (* K содержит значение слова 0 *)WriteLn(«Слово 0 этой машины содержит», K);

Эта конструкция может вызвать проверку программы или нарушение защиты, если адрес 0 защищен от чтения на машине, на которой выполняется программа, или в операционной системе, в которой она работает.

Техника переинтерпретирования приведения из C / C ++ также работает в Паскале. Это может быть полезно, например, когда. чтение двойных слов из байтового потока, и мы хотим рассматривать их как плавающие. Вот рабочий пример, в котором мы переосмысливаем преобразование двойного слова в поплавок:

тип    pReal = ^Настоящий;вар    DW : DWord;    F  : Настоящий;F := pReal(@DW)^;

C #

В C # (и другие языки .NET) каламбур типов немного сложнее реализовать из-за системы типов, но, тем не менее, это можно сделать с помощью указателей или структурных объединений.

Указатели

C # допускает указатели только на так называемые собственные типы, то есть на любой примитивный тип (кроме нить), перечисление, массив или структура, состоящая только из других собственных типов. Обратите внимание, что указатели разрешены только в блоках кода, помеченных как «небезопасные».

плавать число Пи = 3.14159;uint piAsRawData = *(uint*)&число Пи;

Структурные союзы

Союзы структур разрешены без какого-либо понятия «небезопасный» код, но они требуют определения нового типа.

[StructLayout (LayoutKind.Explicit)]структура FloatAndUIntUnion{    [FieldOffset (0)]    общественный плавать DataAsFloat;    [FieldOffset (0)]    общественный uint DataAsUInt;}// ...FloatAndUIntUnion союз;союз.DataAsFloat = 3.14159;uint piAsRawData = союз.DataAsUInt;

Исходный код CIL

Сырой CIL можно использовать вместо C #, поскольку он не имеет большинства ограничений типа. Это позволяет, например, объединить два значения перечисления универсального типа:

TEnum а = ...;TEnum б = ...;TEnum комбинированный = а | б; // незаконно

Это можно обойти с помощью следующего кода CIL:

.метод общественный статический Hidebysig    !!TEnum CombineEnums<тип ценности .ctor ([mscorlib]Система.Тип ценности) TEnum>(        !!TEnum а,        !!TEnum б    ) cil удалось{    .maxstack 2    ldarg.0     ldarg.1    или же  // это не вызовет переполнения, потому что a и b имеют одинаковый тип и, следовательно, одинаковый размер.    Ret}

В cpblk Код операции CIL позволяет использовать некоторые другие приемы, такие как преобразование структуры в массив байтов:

.метод общественный статический Hidebysig    uint8[] ToByteArray<тип ценности .ctor ([mscorlib]Система.Тип ценности) Т>(        !!Т& v // 'ref T' в C #    ) cil удалось{    .местные жители в этом (        [0] uint8[]    )    .maxstack 3    // создаем новый массив байтов с длиной sizeof (T) и сохраняем его в локальном 0    размер !!Т    Newarr uint8    обман           // сохраняем копию в стеке на будущее (1)    stloc.0    ldc.i4.0    ldelema uint8    // memcpy (локальный 0, & v, sizeof (T));    // <массив все еще в стеке, см. (1)>    ldarg.0 // это * адрес * 'v', потому что его тип '!! T &'    размер !!Т    cpblk    ldloc.0    Ret}

Рекомендации

  1. ^ а б ИСО / МЭК 9899: 1999 s6.5 / 7
  2. ^ "§ 6.5.2.3/3, сноска 97", ISO / IEC 9899: 2018 (PDF), 2018, стр. 59, заархивировано оригинал (PDF) в 2018-12-30, Если член, используемый для чтения содержимого объекта объединения, не совпадает с членом, последним использовавшимся для хранения значения в объекте, соответствующая часть объектного представления значения переинтерпретируется как представление объекта в новом типе как описано в 6.2.6 (процесс, который иногда называют "каламбуром"). Это может быть ловушка.
  3. ^ "§ J.1 / 1, пункт 11", ISO / IEC 9899: 2018 (PDF), 2018, стр. 403, заархивировано из оригинал (PDF) на 2018-12-30, Не указано следующее:… Значения байтов, соответствующие членам объединения. кроме последнего сохраненного в (6.2.6.1).
  4. ^ ISO / IEC 14882: 2011 Раздел 9.5
  5. ^ GCC: не содержит ошибок

внешняя ссылка

  • Раздел из GCC руководство по -fstrict-aliasing, который побеждает каламбур
  • Отчет о дефектах 257 к C99 стандарт, кстати, определяя "каламбур типа" с точки зрения союзи обсуждение вопросов, связанных с поведением, определяемым реализацией, в последнем примере выше.
  • Отчет о дефектах 283 об использовании союзов для набора текста