如何在不影响性能的情况下实现原始类型的类型安全？

问题描述

我想让 c 编译器检查简单类型的使用情况。我的首选用法是检查 typedef，但即使使用 -Wall 和 -Wextra 也没有这样做：

#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;
}

这可以顺利编译。

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",sinus(a));
    return 0;
}

这给出了一个彻头彻尾的错误（应该如此）。但是，我想知道性能。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，无论是否进行优化。但是，生产的组件不同。即使在更复杂的上下文中，编译器能否优化出 struct？如果没有，是否有另一种方法可以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，我会考虑使用 llvm。这应该适用于常见的桌面架构，即 x86、x86_64、ARM。

编辑：我注意到您还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，而且我也不清楚真实世界的性能后果。

解决方法

我想让 c 编译器检查简单类型的使用情况。我的首选用法是检查 typedef，但没有这样做

使用 recent GCC 的一种可能方法可能是在 typedef（或 __attribute__-s）上添加额外的 #pragma 并编写自己的代码GCC plugin 进行检查（可能同时使用 type inference 和 abstract interpretation 技术）

请注意，您想要的功能超出了标准 C 的语义，如定义在例如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。给我发电子邮件至 basile.starynkevitch@cea.fr 了解更多信息。

另一种方法是设计您自己的编程语言，并编写您的编译器 generating C code。然后 ACM SIGPLAN 会议是相关的。

或者根据您的需要调整 Frama-C 或 Clang static analyzer。

在所有情况下，都要预算几个月的专业软件工程师劳动力。注意Rice's theorem。

您梦寐以求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 dimensional analysis 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（角度可以是弧度和度数）

IIRC，一些航天器因为这样的错误而丢失了。

c compiler-errors type-safety