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c++20的std::midpoint和std::lerp有什么用? (数值计算工具)

冰火之心

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发布时间:2026-01-09 16:14:04

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来源于php中文网

原创

std::midpoint安全计算中点,避免整数溢出,支持整数、指针和浮点;std::lerp提供精确线性插值,保障端点精度,专为浮点设计。

c++20的std::midpoint和std::lerp有什么用? (数值计算工具)

std::midpoint 用来安全算两个整数或指针的中点

它解决的是 a + b 可能溢出的问题。比如 int a = INT_MAX, b = 1;,直接写 (a + b) / 2 会触发有符号整数溢出(未定义行为),而 std::midpoint(a, b) 内部用位运算或分段逻辑绕过加法,保证结果正确且无溢出。

  • 支持整数类型、指针类型(如 int*)、浮点类型(但此时等价于 (a + b) / 2
  • 对指针使用时,要求两个指针指向同一数组(或末尾),否则行为未定义
  • 整数版本不依赖 / 运算符,而是基于 (a & b) + ((a ^ b) >> 1) 类似逻辑(具体实现由标准库决定)
int a = INT_MAX;
int b = INT_MAX - 1;
auto m1 = (a + b) / 2;           // 危险:a + b 溢出,UB
auto m2 = std::midpoint(a, b);  // 安全:返回 INT_MAX - 1

std::lerp 用于线性插值,比手写 a + t * (b - a) 更可靠

它专为浮点数值设计,核心目标是:在 t 接近 0 或 1 时,避免 b - a 带来的精度损失,并确保端点精确——即 std::lerp(a, b, 0) 严格等于 astd::lerp(a, b, 1) 严格等于 b,哪怕 ab 相差极大。

  • tdouble 类型,但允许传入 floatlong double,会自动提升
  • t 超出 [0,1] 区间时,仍做外推(不是 clamp),但端点精度保障只对 t == 0t == 1 强制成立
  • 不处理 NaN 或无穷输入;若 ab 是 NaN,结果通常是 NaN;若 t 是 NaN,行为未指定
float a = 1e20f;
float b = 1.0f;
auto bad = a + 0.0f * (b - a);  // b - a underflows to -1e20f → a + 0 → 1e20f(看似对,但逻辑脆弱)
auto good = std::lerp(a, b, 0.0); // 保证精确等于 a

两者都不做运行时类型检查,用错类型会编译失败

std::midpoint 要求两个参数类型相同,且必须是算术类型或相同类型的指针;std::lerp 要求前两个参数可隐式转为 double(或模板推导为同一浮点类型),第三个参数必须是浮点类型。传 std::string 或自定义类进去,编译器直接报错,不会静默降级。

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  • 常见误用:对 size_tstd::midpoint —— 可以,但要注意它是无符号类型,std::midpoint(1, 0) 返回 0(因为按位运算解释)
  • 别试图用 std::lerp 插值整数坐标:先转成 double 再调用,否则模板匹配失败
  • 性能上两者都是 constexpr,编译期可求值,无运行时开销

容易被忽略的边界细节

很多人以为 std::midpoint 就是“更安全的平均值”,但它的语义是“中点”,不是“平均”。对浮点数,std::midpoint(x, y) 不一定等于 (x + y) / 2(虽然通常一致);对指针,它返回的是“中间地址”,不是“中间索引”——如果指针跨度不是 2 的倍数,结果可能不是整数偏移位置。

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  • std::lerp(a, b, t)t 是二进制浮点数(如 0.1)时,仍无法完全避免插值误差,只是比朴素公式更鲁棒
  • 没有对应的反向函数(比如给定插值结果求 t),得自己解方程
  • 它们不处理单位或量纲——传入带单位的数值(如 std::chrono::nanoseconds)需先取 .count()

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