為16、32、64位架構編寫可移植代碼

　　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。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 應為品牌名)計算機已經(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)標準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方針，以便助于編寫跨16、32、64位處理器平臺的代碼。

　　由于有一些遺留問題，C語言在數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)構造方面，顯得有點過剩了。可以使用的不僅僅是char、short、int和long類型，還有相應的unsigned（無符號）類型，當然你可在結構(structure)和聯(lián)合(union)中混合使用，可以在聯(lián)合中包含結構，再在結構中包含聯(lián)合，如果還嫌數(shù)據(jù)類型不夠復雜，還可以轉(zhuǎn)換成比特位，當然也可以把一種數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換成另一種你想要的數(shù)據(jù)類型。正是因為這些工具太強大，如果不安全地使用它們，就有可能會傷到自己了。

　　高級代碼的高級結構

　　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”。對個人而言，這意味著為高級編程使用高級數(shù)據(jù)結構，而低級編程使用低級數(shù)據(jù)結構。

　　在我們移植的程序中，有一個常見的32位主義bug，不如拿它來做個例子，科內(nèi)爾大學編寫的用于網(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)換成二進制形式。Internet地址碰巧也是32位的，就如運行伯克利網(wǎng)絡系統(tǒng)的其他計算機一樣，都是有著同樣的字寬。

　　但也存在著有關Internet地址的高級定義：in_ addr結構。這個結構定義包括了子域s_ addr，它是一個包含了Internet地址的unsigned long標量。inet_addr()接受一個指向字符的指針，并且返回一個unsigned long，在轉(zhuǎn)換地址字符串過程中如果發(fā)生錯誤，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（這是一個包含了結構in_addr的高級結構）。例1(a)中的代碼可以在32位電腦上正常運行，但移植到克雷研究計算機上，卻無法運行，為什么呢？

　　例1：高級代碼的高級結構

　　(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; }

　　因為只要inet_addr能夠正確地解析字符串，那么一切OK。當inet_addr在64位計算機上返回一個錯誤時，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。

　　首先，inet_addr返回錯誤值——unsigned long -1，在64位中表示為比特位全為1，這個值被存儲在結構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)在我們存儲進32個1，存儲進的值將與unsigned long -1比較。當我們存儲32個1于unsigned int時，編譯器自動把32位提升為64位；這樣，數(shù)值0x00000000 ffffffff與0xffffffff ffffffff的比較當然就失敗了。這是一個很難發(fā)現(xiàn)的bug，特別是在這種因為32位到64位的隱式提升上。

　　那我們對這個bug怎么辦呢？一個解決方法是在語句中比較0xffffffff，而不是-1，但這又會使代碼更加依賴于特定大小的對象。另一個方法是，使用一個中間的unsigned long變量，從而在把結果存入sockaddr_in前，執(zhí)行比較，但這會讓程序代碼更復雜。

　　真正的問題所在是，我們期望一個unsigned long值與一個32位量（如Internet地址）相等。Internet地址必須以32位形式進行存儲，但有些時候用一個標量，來訪問這個地址的一部分，是非常方便的。在32位字長的電腦中，用一個long數(shù)值（常被當作32位）來訪問這個地址，看上去沒什么問題。讓我們暫時不想一個低級的數(shù)據(jù)項（32位Internet地址）是否與一個機器字相等，那么高級數(shù)據(jù)類型結構in_addr就應該被一直使用。因為in_addr中沒有無效值，那么應有一個單獨的狀態(tài)用作返回值。

　　解決方案是定義一個新的函數(shù)，就像inet_addr那樣，但返回一個狀態(tài)值，而且接受一個結構in_addr作為參數(shù)，參見例1(b)。因為高級的數(shù)據(jù)元素可以一直使用，而返回的值是沒有溢出的，所以這個代碼是可以跨架構移植的，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新的函數(shù)inet_aton()，但如果試著改變inet_addr()中的代碼，將會損壞許多程序。

　　低級代碼的低級結構

　　低級編程意味著直接操縱物理設備或者特定協(xié)議的通訊格式，例如，設備驅(qū)動程序經(jīng)常使用非常精確的位模式來操縱控制寄存器。此外，網(wǎng)絡協(xié)議通過特定的比特位模式傳輸數(shù)據(jù)項時，也必須適當?shù)剞D(zhuǎn)譯。

　　為了操縱物理數(shù)據(jù)項，此處的數(shù)據(jù)結構必須準確地反映被操縱的內(nèi)容。比特位是一個不錯的選擇，因為它們正好指定了比特的位數(shù)及排列。事實上，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構（short、int、long會因為電腦的不同而改變，而比特位不會）。

　　當映像一個物理結構時，是通過定義格式來使比特位達到這種精度的，這就使你必須一直使用一種編碼風格來訪問結構。此時的每個位域都是命名的，你寫出的代碼可直接訪問這些位域。當訪問物理結構時，有件事可能你并不想去做，那就是使用標量數(shù)組(short、int、or long)，訪問這些數(shù)組的代碼都假定存在一個特定的比特位寬，當移植這些代碼到一臺使用不同字寬的電腦上時，就可能不正確了。

　　在我們移植PEX圖像庫時遇到的一個問題，就涉及到其映像的協(xié)議消息結構。在某臺電腦上，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位的克雷計算機上，它就出錯了。對例2(b)而言，不單要改變結構定義，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選擇，要么重寫涉及此消息的所有代碼，要么定義一個低級的結構和一個高級的結構，然后用一段特殊的代碼把數(shù)據(jù)從一個拷貝到另一個當中，不過我也不期望可以找出每個對zcoord = draw_ msg.coord[2]的引用，而且，當現(xiàn)在需要移植到一個新架構上時，把所有的代碼都改寫成如例2(c)所示無疑是一項艱苦的工作。這個特殊的問題是由于忽視字長的不同而帶來的，所以不能假設在可移植的代碼中機器字長、short、int、long都是具有同樣的大小。

　　例2：低級代碼的低級結構

　　(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++;

結構打包和字對齊

　　 正是因為編譯器會對結構進行打包，所以不同計算機上字長的變化，還導致了另一個問題。C編譯器在字(word)的邊界上對齊字長，當具有一個字長的數(shù)據(jù)后面緊接著一個較小的數(shù)據(jù)時，這種方法會產(chǎn)生內(nèi)存空缺（不過也有例外，比如說當有足夠多的小數(shù)據(jù)剛好可以填充一個字時）。

　　 一些聰明的程序員在聲明聯(lián)合時，往往在其中會帶有兩個或更多的結構，其中一個結構剛好填充聯(lián)合，另一個則可以用來從不同的角度來看待這個聯(lián)合，參見例3(a)。假設這段代碼是為16位字長的計算機所寫，int為16位，long為32位，那么存取這個結構的代碼將會得到正常的映射關系（如圖1），而例3(b)中的代碼也會按預期的那樣工作。可是，如果這段代碼一旦移植到另一臺具有32位字長的計算機上時，映射關系就改變了。如果新計算機上的編譯器允許你使用16位的int，那么字的對齊就會像圖2所示了，或者如果編譯器遵循K&R約定，那么int將會和一個字（32比特）一樣長，對齊就如圖3所示，在任一情況下，這都將導致問題。


　　例3：結構打包和字對齊

　　(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。而在第二個情況中（圖3），無論是class還是tag域，都不再有意義，兩個char值因為被打包成一個int，所以也都不再正確。再次強調(diào)，首先不要假設標準數(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)邊界上同時以字和半字進行尋址。

　　尋址機制在不同計算機上會有所變化，最快的尋址模式是在字邊界上以字為單位進行尋址。其他方式的尋址需要輔助硬件，通常都會對內(nèi)存訪問增加了一些時鐘周期。而這些過多的模式和特殊硬件的支持，是與RISC處理器的設計初衷背道而馳的，就拿克雷計算機來說，就只支持在字邊界上以字為單位進行尋址。

　　在那些不提供多種數(shù)據(jù)類型尋址方式的計算機上，編譯器可以提供一些模擬。例如：編譯器可以生成一些指令，當讀取一個字時，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，但這會需要額外的時鐘周期，并且代碼體積會更大。

　　從這點上來說，位域的效率是非常低的，在以位域來取出一個字時，它們產(chǎn)生的代碼體積最大。當你存取同一個字中的其他位域時，又需要對包含這個位域字的內(nèi)存，重新進行一遍尋址，這就是典型的以空間換時間。

　　當在設計數(shù)據(jù)結構時，我們總是想用可以保存數(shù)據(jù)的最小數(shù)據(jù)類型，來達到節(jié)省空間的目的。我們有時小氣得經(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。儲存空間上的高效，會付出在程序速度和體積上隱藏的代價。

　　試想你只為一個緊湊結構分配了一小點的空間，但卻產(chǎn)生了大量的代碼來存取結構中的域，而且這段代碼還是經(jīng)常執(zhí)行的，那么，會因為非字尋址，而導致代碼運行緩慢，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)結構中，特定的比特定位已不是必須的了，應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器的部分，應該為字準備一個typedef，如下：

/*在這臺計算機上，int是一個字長*/ typedef word int;

　　在高級結構中，對所有域都使用字有如下好處：

　　a.. 對其他計算機架構的可移植性

　　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.. 絕對沒有結構對齊的意外發(fā)生

　　必須也承認，在某些時候，是不能做到全部使用字的。例如，有一個很大的結構，但不會被經(jīng)常存取，如果使用了數(shù)千個字的話，體積將會增大25%，但使用字通常會節(jié)省空間、提高執(zhí)行速度，而且更具移植性。

　　以下是我們的結論：

　　書寫跨平臺移植的代碼，其實是件簡單的事情。最基本的規(guī)則是，盡可能地隱藏機器字長的細節(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)結構。或者像前面所建議的，為高級編程使用高級數(shù)據(jù)結構，而低級編程使用低級數(shù)據(jù)結構，當闡明高級數(shù)據(jù)結構時，對標準C的標量類型，不要作任何假設