為16、32、64位架構(gòu)編寫可移植代碼
與16位相比，32位意味著程序更快、可直接尋址訪問更多的內(nèi)存和更好的處理器架構(gòu)。鑒于此，越來越多的程序員已經(jīng)開始考慮利用64位處理器所帶來的巨大優(yōu)勢了。
克雷研究(Cray Research 應(yīng)為品牌名)計(jì)算機(jī)已經(jīng)開始使用64位字，并可訪問更大的內(nèi)存地址。然而，作為正在向開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)軟件和與其他操作系統(tǒng)相互努力的一部分，我們已經(jīng)停止了移植那些原本基于32位處理器的代碼。事實(shí)上，我們不斷遇到我們稱之為“32位主義”的代碼，這些代碼都是在假定機(jī)器字長為32位的情況下編寫的，因而很難移植這種代碼，所以必須確立一些簡單的指導(dǎo)方針，以便助于編寫跨16、32、64位處理器平臺(tái)的代碼。
由于有一些遺留問題，
C語言在數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)構(gòu)造方面，顯得有點(diǎn)過剩了。可以使用的不僅僅是char、short、int和long類型，還有相應(yīng)的unsigned（無符號(hào)）類型，當(dāng)然你可在結(jié)構(gòu)(structure)和聯(lián)合(union)中混合使用，可以在聯(lián)合中包含結(jié)構(gòu)，再在結(jié)構(gòu)中包含聯(lián)合，如果還嫌數(shù)據(jù)類型不夠復(fù)雜，還可以轉(zhuǎn)換成比特位，當(dāng)然也可以把一種數(shù)據(jù)
類型轉(zhuǎn)換成另一種你想要的數(shù)據(jù)類型。正是因?yàn)檫@些工具太強(qiáng)大，如果不安全地使用它們，就有可能會(huì)傷到自己了。
高級代碼的高級結(jié)構(gòu) 在Kernighan和Plauger經(jīng)典的《The Elements of Programming Style》一書中，他們的建議是“選擇使程序看上去簡單的數(shù)據(jù)表示法”。對個(gè)人而言，這意味著為高級編程使用高級
數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而低級編程使用低級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
在我們移植的程序中，有一個(gè)常見的32位主義bug，不如拿它來做個(gè)例子，科內(nèi)爾大學(xué)編寫的用于網(wǎng)間互訪的路由協(xié)議引擎，在伯克利網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下（指TCP/IP），自然是使用inet_addr( )來把表示Internet地址的
字符串轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制形式。Internet地址碰巧也是32位的，就如運(yùn)行伯克利網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的其他計(jì)算機(jī)一樣，都是有著同樣的字寬。
但也存在著有關(guān)Internet地址的高級定義：in_ addr結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)定義包括了子域s_ addr，它是一個(gè)包含了Internet地址的unsigned long標(biāo)量。inet_addr()接受一個(gè)指向字符的指針，并且返回一個(gè)unsigned long，在轉(zhuǎn)換地址字符串過程中如果發(fā)生錯(cuò)誤，inet_addr將返回-1。
程序Gated讀取以文本格式存放Internet地址的配置文件，并把它們放入sockaddr_in（這是一個(gè)包含了結(jié)構(gòu)in_addr的高級結(jié)構(gòu)）。例1(a)中的代碼可以在32位電腦上正常運(yùn)行，但移植到克雷研究計(jì)算機(jī)上，卻無法運(yùn)行，為什么呢？
例1：高級代碼的高級結(jié)構(gòu)
(a)
struct sockaddr_in saddrin
char *str;
if ((saddrin.sin_addr.s_addr = inet_addr(str)) == (unsigned long)-1) {
do_some_error_handling;
} |
(b)
struct sockaddr_in saddrin
char *str;
if (inet_aton(str, &saddrin.sin_addr) ! = OK) {
do_some_error_handling;
} |
因?yàn)橹灰猧net_addr能夠正確地解析字符串，那么一切OK。當(dāng)inet_addr在64位計(jì)算機(jī)上返回一個(gè)錯(cuò)誤時(shí)，這段代碼卻未能捕捉到。你必須要考慮比較語句中的數(shù)據(jù)位寬，來確定到底是哪出了錯(cuò)。
首先，inet_addr返回錯(cuò)誤值——unsigned long -1，在64位中表示為比特位全為1，這個(gè)值被存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)in_addr下的子域s_addr中，而in_addr必須是32位來匹配Internet地址，所以它是一個(gè)32比特位的unsigned int（在我們的編譯器上，int是64位）。現(xiàn)在我們存儲(chǔ)進(jìn)32個(gè)1，存儲(chǔ)進(jìn)的值將與unsigned long -1比較。當(dāng)我們存儲(chǔ)32個(gè)1于unsigned int時(shí)，編譯器自動(dòng)把32位提升為64位；這樣，數(shù)值0x00000000 ffffffff與0xffffffff ffffffff的比較當(dāng)然就失敗了。這是一個(gè)很難發(fā)現(xiàn)的bug，特別是在這種因?yàn)?2位到64位的隱式提升上。
那我們對這個(gè)bug怎么辦呢？一個(gè)解決方法是在語句中比較0xffffffff，而不是-1，但這又會(huì)使代碼更加依賴于特定大小的對象。另一個(gè)方法是，使用一個(gè)中間的unsigned long變量，從而在把結(jié)果存入sockaddr_in前，執(zhí)行比較，但這會(huì)讓程序代碼更復(fù)雜。
真正的問題所在是，我們期望一個(gè)unsigned long值與一個(gè)32位量（如Internet地址）相等。Internet地址必須以32位形式進(jìn)行存儲(chǔ)，但有些時(shí)候用一個(gè)標(biāo)量，來訪問這個(gè)地址的一部分，是非常方便的。在32位字長的電腦中，用一個(gè)long數(shù)值（常被當(dāng)作32位）來訪問這個(gè)地址，看上去沒什么問題。讓我們暫時(shí)不想一個(gè)低級的數(shù)據(jù)項(xiàng)（32位Internet地址）是否與一個(gè)機(jī)器字相等，那么高級數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)in_addr就應(yīng)該被一直使用。因?yàn)閕n_addr中沒有無效值，那么應(yīng)有一個(gè)單獨(dú)的狀態(tài)用作返回值。
解決方案是定義一個(gè)新的函數(shù)，就像inet_addr那樣，但返回一個(gè)狀態(tài)值，而且接受一個(gè)結(jié)構(gòu)in_addr作為參數(shù)，參見例1(b)。因?yàn)楦呒壍臄?shù)據(jù)元素可以一直使用，而返回的值是沒有溢出的，所以這個(gè)代碼是可以跨架構(gòu)移植的，而不管字長是多少。雖然伯克利發(fā)布了NET2，其中的確定義了一個(gè)新的函數(shù)inet_aton()，但如果試著改變inet_addr()中的代碼，將會(huì)損壞許多程序。
低級代碼的低級結(jié)構(gòu) 低級編程意味著直接操縱物理設(shè)備或者特定協(xié)議的通訊格式，例如，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序經(jīng)常使用非常精確的位模式來操縱控制寄存器。此外，
網(wǎng)絡(luò)協(xié)議通過特定的比特位模式傳輸數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，也必須適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)譯。
為了操縱物理數(shù)據(jù)項(xiàng)，此處的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)必須準(zhǔn)確地反映被操縱的內(nèi)容。比特位是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)樗鼈冋弥付吮忍氐奈粩?shù)及排列。事實(shí)上，正是這種精確度，使比特位相對于short、int、long，更好地映像了物理結(jié)構(gòu)（short、int、long會(huì)因?yàn)殡娔X的不同而改變，而比特位不會(huì)）。
當(dāng)映像一個(gè)物理結(jié)構(gòu)時(shí)，是通過定義格式來使比特位達(dá)到這種精度的，這就使你必須一直使用一種編碼風(fēng)格來訪問結(jié)構(gòu)。此時(shí)的每個(gè)位域都是命名的，你寫出的代碼可直接訪問這些位域。當(dāng)訪問物理結(jié)構(gòu)時(shí)，有件事可能你并不想去做，那就是使用標(biāo)量數(shù)組(short、int、or long)，訪問這些數(shù)組的代碼都假定存在一個(gè)特定的比特位寬，當(dāng)移植這些代碼到一臺(tái)使用不同字寬的電腦上時(shí)，就可能不正確了。
在我們移植PEX圖像庫時(shí)遇到的一個(gè)問題，就涉及到其映像的協(xié)議消息結(jié)構(gòu)。在某臺(tái)電腦上，如果int整型的長度與消息中的元素一樣，那例2(a)中的代碼就會(huì)工作得很正常。32位的數(shù)據(jù)元素在32字長的電腦上沒有問題，拿到64位的克雷計(jì)算機(jī)上，它就出錯(cuò)了。對例2(b)而言，不單要改變結(jié)構(gòu)定義，還要改變所有涉及到coord數(shù)組的代碼。這樣，擺在我們面前就有兩個(gè)選擇，要么重寫涉及此消息的所有代碼，要么定義一個(gè)低級的結(jié)構(gòu)和一個(gè)高級的結(jié)構(gòu)，然后用一段特殊的代碼把數(shù)據(jù)從一個(gè)拷貝到另一個(gè)當(dāng)中，不過我也不期望可以找出每個(gè)對zcoord = draw_ msg.coord[2]的引用，而且，當(dāng)現(xiàn)在需要移植到一個(gè)新架構(gòu)上時(shí)，把所有的代碼都改寫成如例2(c)所示無疑是一項(xiàng)艱苦的工作。這個(gè)特殊的問題是由于忽視字長的不同而帶來的，所以不能假設(shè)在可移植的代碼中機(jī)器字長、short、int、long都是具有同樣的大小。
例2：低級代碼的低級結(jié)構(gòu)
(a)
struct draw_msg {
int objectid;
int coord[3];
} |
(b)
struct draw_msg {
int objectid:32;
int coord1:32;
int coord2:32;
int coord3:32;
} |
(c)
int *iptr, *optr, *limit;
int xyz[3];
iptr = draw_msg.coord;
limit = draw_msg.coord + sizeof(draw_msg.coord);
optr = xyz;
while (iptr < limit)
*optr++ = *iptr++; |
結(jié)構(gòu)打包和字對齊
正是因?yàn)榫幾g器會(huì)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行打包，所以不同計(jì)算機(jī)上字長的變化，還導(dǎo)致了另一個(gè)問題。C編譯器在字(word)的邊界上對齊字長，當(dāng)具有一個(gè)字長的數(shù)據(jù)后面緊接著一個(gè)較小的數(shù)據(jù)時(shí)，這種方法會(huì)產(chǎn)生內(nèi)存空缺（不過也有例外，比如說當(dāng)有足夠多的小數(shù)據(jù)剛好可以填充一個(gè)字時(shí)）。
一些聰明的程序員在聲明聯(lián)合時(shí)，往往在其中會(huì)帶有兩個(gè)或更多的結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)結(jié)構(gòu)剛好填充聯(lián)合，另一個(gè)則可以用來從不同的角度來看待這個(gè)聯(lián)合，參見例3(a)。假設(shè)這段代碼是為16位字長的計(jì)算機(jī)所寫，int為16位，long為32位，那么存取這個(gè)結(jié)構(gòu)的代碼將會(huì)得到正常的映射關(guān)系（如圖1），而例3(b)中的代碼也會(huì)按預(yù)期的那樣工作。可是，如果這段代碼一旦移植到另一臺(tái)具有32位字長的計(jì)算機(jī)上時(shí)，映射關(guān)系就改變了。如果新計(jì)算機(jī)上的編譯器允許你使用16位的int，那么字的對齊就會(huì)像圖2所示了，或者如果編譯器遵循K&R約定，那么int將會(huì)和一個(gè)字（32比特）一樣長，對齊就如圖3所示，在任一情況下，這都將導(dǎo)致問題。
例3：結(jié)構(gòu)打包和字對齊
(a)
union parse_hdr {
struct hdr {
char data1;
char data2;
int data3;
int data4;
} hdr;
struct tkn {
int class;
long tag;
} tkn;
} parse_item; |
(b)
char *ptr = msgbuf;
parse_item.hdr.data1 = *ptr++;
parse_item.hdr.data2 = *ptr++;
parse_item.hdr.data3 = (*ptr++ << 8 | *ptr++);
parse_item.hdr.data4 = (*ptr++ << 8 | *ptr++);
if (parse.tkn.class >= MIN_TOKEN_CLASS && parse.tkn.class <= MAX_TOKEN_CLASS) {
interpret_tag(parse.tkn.tag);
} |
在第一個(gè)情況中（圖2），tag域不是像期望的那樣線性拉長，而被填充了一些垃圾。而在第二個(gè)情況中（圖3），無論是class還是tag域，都不再有意義，兩個(gè)char值因?yàn)楸淮虬梢粋€(gè)int，所以也都不再正確。再次強(qiáng)調(diào)，首先不要假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型大小一樣，其次還要了解它們是怎樣被映射成其他數(shù)據(jù)類型的，這才是書寫可移植代碼的最好方法。
機(jī)器尋址特性 幾乎所有的處理器都在字邊界上以字為單位進(jìn)行尋址，而且通常都為此作了一些優(yōu)化。另有一些的處理器允許其他類型的尋址，如以字節(jié)為單位尋址、或在半個(gè)字邊界上以半字為單位尋址，甚至還有一些處理器有輔助硬件允許在奇數(shù)邊界上同時(shí)以字和半字進(jìn)行尋址。
尋址機(jī)制在不同計(jì)算機(jī)上會(huì)有所變化，最快的尋址模式是在字邊界上以字為單位進(jìn)行尋址。其他方式的尋址需要輔助硬件，通常都會(huì)對內(nèi)存訪問增加了一些時(shí)鐘周期。而這些過多的模式和特殊硬件的支持，是與RISC處理器的設(shè)計(jì)初衷背道而馳的，就拿克雷計(jì)算機(jī)來說，就只支持在字邊界上以字為單位進(jìn)行尋址。
在那些不提供多種數(shù)據(jù)類型尋址方式的計(jì)算機(jī)上，編譯器可以提供一些模擬。例如：編譯器可以生成一些指令，當(dāng)讀取一個(gè)字時(shí)，通過移位和屏蔽，來找到所想要的位置，以此來模擬在字中的半字尋址，但這會(huì)需要額外的時(shí)鐘周期，并且代碼體積會(huì)更大。
從這點(diǎn)上來說，位域的效率是非常低的，在以位域來取出一個(gè)字時(shí)，它們產(chǎn)生的代碼體積最大。當(dāng)你存取同一個(gè)字中的其他位域時(shí)，又需要對包含這個(gè)位域字的內(nèi)存，重新進(jìn)行一遍尋址，這就是典型的以空間換時(shí)間。
當(dāng)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，我們總是想用可以保存數(shù)據(jù)的最小數(shù)據(jù)類型，來達(dá)到節(jié)省空間的目的。我們有時(shí)小氣得經(jīng)常使用char和short，來存取位特域，這就像是為了節(jié)省一角錢，而花了一元錢。儲(chǔ)存空間上的高效，會(huì)付出在程序速度和體積上隱藏的代價(jià)。
試想你只為一個(gè)緊湊結(jié)構(gòu)分配了一小點(diǎn)的空間，但卻產(chǎn)生了大量的代碼來存取結(jié)構(gòu)中的域，而且這段代碼還是經(jīng)常執(zhí)行的，那么，會(huì)因?yàn)榉亲謱ぶ罚鴮?dǎo)致代碼運(yùn)行緩慢，而且充斥了大量用于提取域的代碼，程序體積也因此增大。這些額外代碼所占的空間，會(huì)讓你前面為節(jié)省空間所做的努力付之東流。
在高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，特定的比特定位已不是必須的了，應(yīng)在所有的域中都使用字(word)，而不要操心它們所占用的空間。特別是在程序某些依賴于機(jī)器的部分，應(yīng)該為字準(zhǔn)備一個(gè)typedef，如下：
/*在這臺(tái)計(jì)算機(jī)上，int是一個(gè)字長*/
typedef word int; |
在高級結(jié)構(gòu)中，對所有域都使用字有如下好處：
a.. 對其他計(jì)算機(jī)架構(gòu)的可移植性
b.. 編譯器可能生成最快的代碼
c.. 處理器可能最快地訪問到所需內(nèi)存
d.. 絕對沒有結(jié)構(gòu)對齊的意外發(fā)生
必須也承認(rèn)，在某些時(shí)候，是不能做到全部使用字的。例如，有一個(gè)很大的結(jié)構(gòu)，但不會(huì)被經(jīng)常存取，如果使用了數(shù)千個(gè)字的話，體積將會(huì)增大25%，但使用字通常會(huì)節(jié)省空間、提高執(zhí)行速度，而且更具移植性。
以下是我們的結(jié)論： 書寫跨平臺(tái)移植的代碼，其實(shí)是件簡單的事情。最基本的規(guī)則是，盡可能地隱藏機(jī)器字長的細(xì)節(jié)，用非常精確的數(shù)據(jù)元素位大小來映射物理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。或者像前面所建議的，為高級編程使用高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，而低級編程使用低級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)闡明高級數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，對標(biāo)準(zhǔn)C的標(biāo)量類型，不要作任何假設(shè)