如何在C++17中无UB地编译时将double转换为std::int64_t？

在C++17中，std::bit_cast尚未引入，而运行时安全的std::memcpy又不属于常量表达式，无法满足编译时转换的需求。要实现无未定义行为（UB）的编译时转换，可根据场景选择以下方案：

1. 依赖编译器扩展（GCC/Clang） #

如果项目兼容GCC或Clang编译器，可使用它们提供的__builtin_memcpy扩展——该函数支持在常量表达式中使用，行为与标准std::memcpy完全一致，无UB：

#include <cstdint>

constexpr std::int64_t double_to_int64(double val) noexcept {
    static_assert(sizeof(double) == sizeof(std::int64_t), 
                  "double and std::int64_t must have identical size");
    
    std::int64_t result;
    __builtin_memcpy(&result, &val, sizeof(result));
    return result;
}

// 编译时使用示例
constexpr double pi = 3.1415926535;
constexpr std::int64_t pi_bits = double_to_int64(pi);

2. 依赖IEEE754浮点数表示（标准合规但平台受限） #

如果目标平台采用IEEE754双精度浮点数（绝大多数现代平台都符合），可通过手动解析浮点位结构实现标准合规的constexpr转换，完全无UB：

#include <cstdint>

constexpr std::int64_t double_to_int64(double val) noexcept {
    static_assert(sizeof(double) == sizeof(std::int64_t), 
                  "double and std::int64_t must have identical size");
    
    // 处理正负零的特殊情况
    if (val == 0.0) {
        return val < 0.0 ? static_cast<std::int64_t>(0x8000000000000000ULL) : 0;
    }

    // 提取符号位
    const bool is_negative = val < 0.0;
    const double abs_val = is_negative ? -val : val;

    // 计算尾数与指数（IEEE754双精度：1位符号 + 11位指数 + 52位尾数）
    double mantissa_base = abs_val;
    int exponent = 0;

    // 归一化尾数到[1.0, 2.0)区间
    if (mantissa_base >= 2.0) {
        while (mantissa_base >= 2.0) {
            mantissa_base /= 2.0;
            exponent++;
        }
    } else if (mantissa_base < 1.0) {
        while (mantissa_base < 1.0) {
            mantissa_base *= 2.0;
            exponent--;
        }
    }

    // 计算带偏移的指数（IEEE754指数偏移量为1023）
    const uint64_t biased_exponent = static_cast<uint64_t>(exponent + 1023);
    // 提取52位尾数部分（mantissa_base = 1 + 小数部分）
    const uint64_t mantissa = static_cast<uint64_t>((mantissa_base - 1.0) * (1ULL << 52));

    // 组合所有位
    const uint64_t raw_bits = (static_cast<uint64_t>(is_negative) << 63) | 
                              (biased_exponent << 52) | 
                              mantissa;

    return static_cast<std::int64_t>(raw_bits);
}

// 编译时使用示例
constexpr double e = 2.71828;
constexpr std::int64_t e_bits = double_to_int64(e);

3. 标准合规的通用方案：升级到C++20 #

如果可以升级编译器到C++20标准，直接使用std::bit_cast即可——它是专门为位级转换设计的，支持constexpr且完全无UB：

#include <cstdint>
#include <bit>

constexpr double pi = 3.1415926535;
constexpr std::int64_t pi_bits = std::bit_cast<std::int64_t>(pi);

注意事项 #

• 所有方案都依赖double与std::int64_t的大小一致（均为8字节），通过static_assert可提前验证这一点；
• 方案1的编译器扩展仅适用于GCC/Clang，MSVC有类似支持但需确认版本兼容性；
• 方案2的IEEE754假设不属于C++标准强制要求，若目标平台使用非标准浮点数表示，该方案会失效。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user1722025