如何在不影响性能的情况下实现原始类型的类型安全？

Question

我希望 C 编译器检查简单类型的用法。我的首选用法是检查

typedef

，但即使使用

-Wall

和

-Wextra

也没有完成：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

typedef float deg;
typedef float rad;

float sinus( rad angle ) {
    return sin( angle );
}

int main() {
    deg a = 180;
    printf( "The sinus of %g is %g\n", a, sinus(a));
    return 0;
}

编译顺利。

所以我正在考虑使用单成员结构：

#include <math.h>
#include <stdio.h>

typedef struct { float value; } deg;
typedef struct { float value; } rad;

float sinus( rad angle ) {
    return sin( angle.value );
}

int main() {
    deg a = {.value=180};
    printf( "The sinus of %g is %g\n", a, sinus(a));
    return 0;
}

这给出了一个彻底的错误（这是应该的）。不过，我对表演感到好奇。如果我更正上述示例，则生成的二进制文件具有相同的大小，无论是否经过优化。然而，生产的组件有所不同。即使在更复杂的上下文中，编译器也能优化

struct

吗？如果没有，是否有另一种方法来实现原始类型的类型安全？

我正在使用 GCC (9.1.0)，但如果有帮助的话我会考虑 llvm。这应该适用于常见的桌面架构，即 x86、x86_64、ARM。

编辑：我注意到您也可以在上面的示例中使用

union

代替

struct

。这再次产生略有不同的汇编代码，并且我再次不清楚现实世界的性能后果。

Answer 1

我希望 C 编译器检查简单类型的用法。我的首选用法是检查 typedef，但这还没有完成

使用 recent GCC 的一种可能方法可能是在您的 typedef（或

__attribute__

-s）上添加额外的

#pragma

并编写您自己的 GCC 插件 进行检查（也许同时使用 type推理和抽象解释技术）

请注意，您想要的功能超出了标准 C 的语义，例如在n2176.

如果允许（并获得资助），我可能会（在 2021 年春季）扩展 Bismon 静态分析器（在此 DRAFT 报告中描述）以实现您的目标。另请参阅 CHARIOT 和 DECODER 项目。

另一种方法是设计自己的编程语言，并编写编译器生成 C 代码。那么ACM SIGPLAN会议是相关的。

或者根据您的需求调整 Frama-C 或 Clang 静态分析器。

在所有情况下，都要预算几个月的专业软件工程师的劳动力。请注意赖斯定理。

您梦想的检查可以“部分”自动化，但需要昂贵的开发成本。 您的问题与

维度分析

有关：以米为单位的距离除以以秒为单位的持续时间得出速度。还有单位（角度可以以弧度和度为单位） IIRC，一些航天器已经因为这样的错误而丢失了。