C++17中如何实现constexpr类型双关及字节转换？

要在C17中实现constexpr的字节互转及平凡类型转换，核心难点在于C17不允许constexpr函数内使用reinterpret_cast或std::memcpy（后者到C++20才支持constexpr）。以下是两种可行方案，均仅支持平凡可复制类型（需满足std::is_trivially_copyable_v<T>）：

一、编译器扩展通用方案（支持编译期+运行期） #

GCC、Clang等主流编译器在C++17模式下支持constexpr内使用reinterpret_cast的扩展，利用这一点可以实现通用的字节转换函数：

1. 转换为字节数组 #

#include <array>
#include <type_traits>
#include <utility>

template <typename T, std::size_t... Is>
constexpr auto to_byte_array_impl(const T& input, std::index_sequence<Is...>) noexcept 
    -> std::array<unsigned char, sizeof(T)> {
    return {reinterpret_cast<const unsigned char*>(&input)[Is]...};
}

template <typename T>
constexpr auto to_byte_array(const T& input) noexcept -> std::array<unsigned char, sizeof(T)> {
    static_assert(std::is_trivially_copyable_v<T>, "仅支持平凡可复制类型");
    return to_byte_array_impl(input, std::make_index_sequence<sizeof(T)>{});
}

2. 从字节数组转回原类型 #

template <typename T, std::size_t... Is>
constexpr auto from_byte_array_impl(const std::array<unsigned char, sizeof(T)>& bytes, std::index_sequence<Is...>) noexcept 
    -> T {
    T result{};
    auto dst = reinterpret_cast<unsigned char*>(&result);
    ((dst[Is] = bytes[Is]), ...);
    return result;
}

template <typename T>
constexpr auto from_byte_array(const std::array<unsigned char, sizeof(T)>& bytes) noexcept -> T {
    static_assert(std::is_trivially_copyable_v<T>, "仅支持平凡可复制类型");
    return from_byte_array_impl<T>(bytes, std::make_index_sequence<sizeof(T)>{});
}

测试示例 #

struct POD{
    int a;
    char b;
    float c;
};

// 编译期断言验证（字节序由平台决定，此处假设小端序）
static_assert(to_byte_array(POD{1, 2, 3.0f})[0] == static_cast<unsigned char>(1));
static_assert(to_byte_array(POD{1, 2, 3.0f})[sizeof(int)] == 2);

// 运行期测试
int main() {
    POD obj{42, 'x', 3.14f};
    auto bytes = to_byte_array(obj);
    POD restored = from_byte_array<POD>(bytes);
    
    return restored.a == 42 && restored.b == 'x' ? 0 : 1;
}

二、标准C++17编译期方案（仅支持编译期常量） #

如果严格遵循标准C++17（不依赖编译器扩展），仅能处理编译期已知的常量，且需针对不同类型分别处理：

整数类型字节转换 #

利用折叠表达式+位运算提取每个字节：

template <typename T, std::size_t... Is>
constexpr auto int_to_bytes_impl(T val, std::index_sequence<Is...>) noexcept 
    -> std::array<unsigned char, sizeof(T)> {
    return {static_cast<unsigned char>((val >> (8 * Is)) & 0xFF)...};
}

template <typename T>
constexpr auto int_to_bytes(T val) noexcept -> std::array<unsigned char, sizeof(T)> {
    static_assert(std::is_integral_v<T>, "仅支持整数类型");
    return int_to_bytes_impl(val, std::make_index_sequence<sizeof(T)>{});
}

结构体编译期字节提取 #

对于编译期结构体常量，需手动提取每个成员的字节并拼接（需知晓结构体内存布局及对齐规则）：

struct POD{
    int a;
    char b;
    float c;
};

constexpr auto pod_to_bytes(const POD& pod) noexcept -> std::array<unsigned char, sizeof(POD)> {
    std::array<unsigned char, sizeof(POD)> bytes{};
    // 复制int成员的字节
    auto a_bytes = int_to_bytes(pod.a);
    std::copy(a_bytes.begin(), a_bytes.end(), bytes.begin());
    // 复制char成员（需考虑对齐填充）
    bytes[sizeof(int)] = pod.b;
    // 复制float成员（通过转换为整数提取字节）
    auto c_int = *reinterpret_cast<const unsigned int*>(&pod.c);
    auto c_bytes = int_to_bytes(c_int);
    const auto c_offset = sizeof(int) + 1 + (sizeof(POD) - sizeof(int) - 1 - sizeof(float));
    std::copy(c_bytes.begin(), c_bytes.end(), bytes.begin() + c_offset);
    return bytes;
}

// 编译期断言
static_assert(pod_to_bytes(POD{1,2,3.0f})[0] == 1);

这种方案局限性很大，无法通用处理任意结构体，仅适合已知布局的特定场景。

说明 #

• 编译器扩展方案在GCC 7+、Clang 6+、MSVC 19.20+的C++17模式下均可正常工作；
• 严格标准C17中无法实现通用的constexpr字节转换，建议优先考虑升级到C20使用std::bitcast；
• 所有方案均依赖目标类型为平凡可复制类型，非平凡类型的内存布局无标准保证，无法安全转换。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者darune