C++20环境下如何安全将uint64_t类型双关为两个uint32_t以避免严格别名UB

是的，C++20中可以直接借助std::bit_cast完成该需求，完全规避严格别名规则违规的未定义行为，实现简洁且符合标准。

1. 基于std::bit_cast的实现 #

std::bit_cast要求源类型和目标类型均满足平凡可复制、且大小相等的条件，uint64_t和std::array<uint32_t, 2>完全符合该要求，操作行为是标准明确定义的。

拆分uint64_t为高低两个uint32_t #

#include <bit>
#include <array>
#include <cstdint>
#include <utility>

std::pair<uint32_t, uint32_t> split_u64(uint64_t val) {
    const auto parts = std::bit_cast<std::array<uint32_t, 2>>(val);
    // 注意：当前返回顺序和平台原生字节序绑定
    // 小端平台：parts[0]为低位、parts[1]为高位，和你给出的UB代码行为完全一致
    // 大端平台：parts[0]为高位、parts[1]为低位
    return {parts[0], parts[1]};
}

合并两个uint32_t为uint64_t #

uint64_t merge_u64(uint32_t lower, uint32_t upper) {
    const std::array<uint32_t, 2> parts{lower, upper};
    // 字节序规则同上
    return std::bit_cast<uint64_t>(parts);
}

2. 兼容C++20之前标准的备选方案 #

如果你需要兼容更早的C++版本，可以使用std::memcpy实现，同样不存在严格别名违规问题，编译器优化后生成的指令和std::bit_cast几乎完全一致，没有额外性能损耗：

#include <cstring>
#include <cstdint>
#include <utility>

// 拆分实现
std::pair<uint32_t, uint32_t> split_u64(uint64_t val) {
    uint32_t parts[2];
    std::memcpy(parts, &val, sizeof(val));
    return {parts[0], parts[1]};
}

// 合并实现
uint64_t merge_u64(uint32_t lower, uint32_t upper) {
    uint64_t val;
    const uint32_t parts[2] = {lower, upper};
    std::memcpy(&val, parts, sizeof(val));
    return val;
}

3. 跨平台固定高低位顺序的优化 #

如果你的代码需要跨大小端平台运行，要求固定返回的第一个值为低位、第二个为高位，可以配合C++20的std::endian做编译期判断调整顺序：

#include <bit>
#include <array>
#include <cstdint>
#include <utility>

std::pair<uint32_t, uint32_t> split_u64_fixed(uint64_t val) {
    const auto parts = std::bit_cast<std::array<uint32_t, 2>>(val);
    if constexpr (std::endian::native == std::endian::little) {
        return {parts[0], parts[1]};
    } else {
        return {parts[1], parts[0]};
    }
}

uint64_t merge_u64_fixed(uint32_t lower, uint32_t upper) {
    std::array<uint32_t, 2> parts;
    if constexpr (std::endian::native == std::endian::little) {
        parts[0] = lower;
        parts[1] = upper;
    } else {
        parts[0] = upper;
        parts[1] = lower;
    }
    return std::bit_cast<uint64_t>(parts);
}

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