将32位代码向64位平台移植的注意事项

随着低成本64位平台的来临，加上内存和硬盘价格的不断下跌，无疑为32位程序向64位硬件的移植又加了一把劲，那些科学运算、数据库、消耗大量内存或密集浮点运算的程序也搭上了这一顺风车。在本文中，主要讨论向64位平台移植现有32位代码时，应注意的一些细小问题。

　　新近的64位平台在二进制上与32位应用程序兼容，这意味着可以非常简单地移植现有的程序。许多目前在32位平台上运行良好的程序也许不必移植，除非程序有以下要求：

　　·需要多于4GB的内存。

　　·使用的文件大小常大于2GB。

　　·密集浮点运算，需要利用64位架构的优势。

　　·能从64位平台的优化数学库中受益。

　　否则，只需简单地重新编译一下，就已经足够了。大多数编写良好的程序不费吹灰之力就可移植到64位平台之上，在此假定你的程序编写良好，并熟悉本文将要讨论的问题。

　　ILP32和LP64数据模型

　　32位环境涉及"ILP32"数据模型，是因为C数据类型为32位的int、long、指针。而64位环境使用不同的数据模型，此时的long和指针已为64位，故称作"LP64"数据模型。

　　现今所有64位的类Unix平台均使用LP64数据模型，而64位Windows使用LLP64数据模型，除了指针是64位，其他基本类型都没有变。我们在此主要探讨ILP32到LP64的移植问题，表1显示了ILP32与LP64数据模型的差异。


　　向64位移植代码时的所有问题差不多都可以总结出一个简单的规律：千万不要认为int、long、指针的长度一样。任何违反这条规律的代码，当运行在LP64数据模型下时，都会出现不同的问题，而且很难找出原因所在。例1中有许多违反这条规律的地方，其在移植到64位平台上时都需要重写。

　　例1：

1 int *myfunc(int i) 2 { 3 　return(&i); 4 } 5 6 int main(void) 7 { 8 　int myint; 9 　long mylong; 10　int *myptr; 11 12　 char *name = (char * ) getlogin(); 13 14　 printf("Enter a number %s: ", name); 15　 (void) scanf("%d", &mylong); 16　 myint = mylong; 17　 myptr = myfunc(mylong); 18　 printf("mylong: %d pointer: %x \n", mylong, myptr); 19　 myint = (int)mylong; 20　 exit(0); 21 22 }

　　第一步是要求编译器捕捉到移植时的问题，因所用编译器的不同，选项可能也有所不同，但对IBM XL编译器系列，可用的选项有-qwarn64 -qinfo=pro，为了得到64位可执行文件，可使用选项-q64（如果使用GCC，选项应为-m64，表2中列出了其他可用的GCC选项）。图1是编译例1中代码时的情况。

缺少原型的截断

　　如果一个函数被调用时没有指定函数原型，返回值将是32位的int。不使用原型的代码可能会发生意料之外的数据截断，由此导致一个分割错误。编译器捕捉到了例1中第12行的这个错误。

　　char *name = (char *) getlogin();

　　编译器假定函数返回一个int值，并截短结果指针。这行代码在ILP32数据模型下工作正常，因为此时的int和指针是同样长度，换到LP64模型中，就不一定正确了，甚至于类型转换都不能避免这个错误，因为getlogin()在返回之后已经被截断了。

　　要修正这个问题，需包括头文件<unistd.h>，其中有getlogin()的函数原型。

　　格式指定符

　　如果对64位long、指针使用了32位格式指定符，将导致程序错误。编译器捕捉到了例1中第15行的这个错误。

(void) scanf("%d", &mylong);

　　注意，scanf将向变量mylong中插入一个32位的值，而剩下的4字节就不管了。要修正这个问题，请在scanf中使用%ld指定符。

　　第18行也演示了在printf中的一个类似的问题：

　　printf("mylong: %d pointer: %x \n", mylong, myptr);

　　要修正此处的错误，mylong应使用%ld，对myptr使用 %p而不是%x。

　　赋值截断

　　有关编译器发现赋值截断的一个例子在第16行中：

　　myint = mylong;

　　这在ILP32模型下不会有任何问题，因为此时的int、long都是32位，而在LP64中，当把mylong赋值给myint时，如果数值大于32位整数的最大值时，数值将被截短。

　　被截断的参数

　　编译器发现的下一个错误在第17行中，虽然myfunc函数只接受一个int参数，但调用时却用了一个long，参数在传递时会悄无声息地被截断。

　　转换截断

　　转换截断发生在把long转换成int时，比如说例1中的第19行：

myint = (int) mylong;

　　导致转换截断的原因是int与long非同样长度。这些类型的转换通常在代码中以如下形式出现：

int length = (int) strlen(str);

　　strlen返回size_t（它在LP64中是unsigned long），当赋值给一个int时，截断是必然发生的。而通常，截断只会在str的长度大于2GB时才会发生，这种情况在程序中一般不会出现。虽然如此，也应该尽量使用适当的多态类型（如size_t、uintptr_t等等），而不要去管它最下面的基类型是什么。

　　一些其他的细小问题

　　编译器可捕捉到移植方面的各种问题，但不能总指望编译器为你找出一切错误。

　　那些以十六进制或二进制表示的常量，通常都是32位的。例如，无符号32位常量0xFFFFFFFF通常用来测试是否为-1：

#define INVALID_POINTER_VALUE 0xFFFFFFFF

　　然而，在64位系统中，这个值不是-1，而是4294967295；在64位系统中，-1正确的值应为0xFFFFFFFFFFFFFFFF。要避免这个问题，在声明常量时，使用const，并且带上signed或unsigned。

const signed int INVALID_POINTER_VALUE = 0xFFFFFFFF;

　　这行代码将会在32位和64位系统上都运行正常。

　　其他有关于对常量硬编码的问题，都是基于对ILP32数据模型的不当认识，如下：

int **p; p = (int**)malloc(4 * NO_ELEMENTS);

　　这行代码假定指针的长度为4字节，而这在LP64中是不正确的，此时是8字节。正确的方法应使用sizeof()：

int **p; p = (int**)malloc( sizeof(*p) * NO_ELEMENTS);

　　注意对sizeof()的不正确用法，例如：

sizeof(int) = = sizeof(int *);

　　这在LP64中是错误的。

　　符号扩展

　　要避免有符号数与无符号数的算术运算。在把int与long数值作对比时，此时产生的数据提升在LP64和ILP32中是有差异的。因为是符号位扩展，所以这个问题很难被发现，只有保证两端的操作数均为signed或均为unsigned，才能从根本上防止此问题的发生。

　　例2：

long k; int i = -2; unsigned int j = 1; k = i + j; printf("Answer: %ld\n", k);

　　你无法期望例2中的答案是-1，然而，当你在LP64环境中编译此程序时，答案会是4294967295。原因在于表达式(i+j)是一个unsigned int表达式，但把它赋值给k时，符号位没有被扩展。要解决这个问题，两端的操作数只要均为signed或均为unsigned就可。像如下所示：

k = i + (int) j

联合体问题（Union）

　　当联合本中混有不同长度的数据类型时，可能会导致问题。如例3是一个常见的开源代码包，可在ILP32却不可在LP64环境下运行。代码假定长度为2的unsigned short数组，占用了与long同样的空间，可这在LP64平台上却不正确。

　　例3：

typedef struct { 　unsigned short bom; 　unsigned short cnt; 　union { 　　unsigned long bytes; 　　unsigned short len[2]; 　} size; } _ucheader_t;

　　要在LP64上运行，代码中的unsigned long应改为unsigned int。要在所有代码中仔细检查联合体，以确认所有的数据成员在LP64中都为同等长度。

　　字节序问题（Endian）

　　因64位平台的差异，在移植32位程序时，可能会失败，原因可归咎于机器上字节序的不同。Intel、IBM PC等CISC芯片使用的是Little-endian，而Apple之类的RISC芯片使用的是Big-endian；小尾字节序（Little-endian）通常会隐藏移植过程中的截断bug。

　　例4：

long k; int *ptr; int main(void) { 　k = 2 ; 　ptr = &k; 　printf("k has the value %ld, value pointed to by ptr is %ld\n", k, *ptr); 　return 0; }

　　例4是一个有此问题的明显例子，一个声明指向int的指针，却不经意间指向了long。在ILP32上，这段代码打印出2，因为int与long长度一样。但到了LP64上，因为int与long的长度不一，而导致指针被截断。不管怎么说，在小尾字节序的系统中，代码依旧会给出k的正确答案2，但在大尾字节序（Big-endian）系统中，k的值却是0。



　　表3说明了为什么在不同的字节序系统中，会因截断问题而产生不同的答案。在小尾字节序中，被截断的高位地址中全为0，所以答案仍为2；而在大尾字节序中，被截断的高位地址中包含值2，这样就导致结果为0，所以在两种情况下，截断都是一种bug。但要意识到，小尾字节序会隐藏小数值的截断错误，而这个错误只有在移植到大尾字节序系统上时才可能被发现。

移植到64位平台之后的性能降低

　　当代码移植到64位平台之后，也许发现性能实际上降低了。原因与在LP64中的指针长度和数据大小有关，并由此引发的缓存命中率降低、数据结构膨胀、数据对齐等问题。

　　由于64位环境中指针所占用的字节更大，致使原来运行良好的32位代码出现不同程度的缓存问题，具体表现为执行效率降低。可使用工具来分析缓存命中率的变化，以确认性能降低是否由此引起。

　　在迁移到LP64之后，数据结构的大小可能会改变，此时程序可能会需要更多的内存和磁盘空间。例如，图2中的结构在ILP32中只需要16字节，但在LP64中，却需要32字节，整整增长了100%。这缘于此时的long已是64位，编译器为了对齐需要而加入了额外的填充数据。


　　通过改变结构中数据排列的先后顺序，能将此问题所带来的影响降到最小，并能减少所需的存储空间。如果把两个32位int值放在一起，会因为少了填充数据，存储空间也随之减少，现在存储整个结构只需要24字节。

　　在重排数据结构之前，在根据数据使用的频度仔细衡量，以免因降低缓存命中率而带来性能上的损失。

　　如何生成64位代码

　　在一些情况中，32位和64位程序在源代码级别的接口上很难区分。不少头文件中，都是通过一些测试宏来区分它们，不幸的是，这些特定的宏依赖于特定的平台、特定的编译器或特定的编译器版本。举例来说，GCC 3.4或之后的版本都定义了__LP64__，以便为所有的64位平台 通过选项-m64编译产生64位代码。然而，GCC 3.4之前的版本却是特定于平台和操作系统的。

　　也许你的编译器使用了不同于__LP64__的宏，例如IBM XL的编译器当用-q64编译程序时，使用了__64bit__宏，而另一些平台使用_LP64，具体情况可用__WORDSIZE来测试一下。请查看相关编译器文档，以便找出最适合的宏。例5可适用于多种平台和编译器：

　　例5：

#if defined (__LP64__) || defined (__64BIT__) || defined (_LP64) || (__WORDSIZE == 64) printf("I am LP64\n"); #else printf("I am ILP32 \n"); #endif

　　共享数据

　　在移植到64位平台时的一个典型问题是，如何在32位和64位程序之间读取和共享数据。例如一个32位程序可能把结构体作为二进制文件存储在磁盘上，现在你要在64位代码中读取这些文件，很可能会因LP64环境中结构大小的不同而导致问题。

　　对那些必须同时运行在32位和64位平台上的新程序而言，建议不要使用可能会因LP64和ILP32而改变长度的数据类型（如long），如果实在要用，可使用头文件<inttypes.h>中的定宽整数，这样不管是通过文件还是网络，都可在32位和64位的二进制层面共享数据。

　　例6：

#include <stdio.h> #include <inttypes.h> struct on_disk { 　/* ILP32|LP64共享时，这个应该使用int32_t */ 　long foo; }; int main() { 　FILE *file; 　struct on_disk data; 　#ifdef WRITE 　　file=fopen("test","w"); 　　data.foo = 65535; 　　fwrite(&data, sizeof(struct on_disk), 1, file); 　#else 　　file = fopen("test","r"); 　　fread(&data, sizeof(struct on_disk), 1, file); 　　printf("data: %ld\n", data.foo); 　#endif 　fclose(file); }

　　来看一下例6，在理想的情况下，这个程序在32位和64位平台上都可正常运行，并且可以读取对方的数据。但实际上却不行，因为long在ILP32和LP64之中长度会变化。结构on_disk里的变量foo应该声明为int32_t，这个定宽类型可保证在当前ILP32或移植到的LP64数据模型下，都生成相同大小的数据。

　　混合Fortran和C的问题

　　许多科学运算程序从C/C++中调用Fortran的功能，Fortran从它本身来说并不存在移植到64位平台的问题，因为Fortran的数据类型有明确的比特大小。然而，如果混合Fortran和C语言，问题就来了，如下：例7中C语言程序调用例8中Fortran语言的子例程。

　　例7：

void FOO(long *l); main () { 　long l = 5000; 　FOO(&l); }

　　例8：

subroutine foo( i ) integer i write(*,*) 'In Fortran' write(*,*) i return end subroutine foo

　　例9：

% gcc -m64 -c cfoo.c % /opt/absoft/bin/f90 -m64 cfoo.o foo.f90 -o out % ./out In Fortran 0

　　当链接这两个文件后，程序将打印出变量i的值为"5000"。而在LP64中，程序打印出"0"，因为在LP64模式下，子例程foo通过地址传递一个64位的参数，而实际上，Fortran子例程想要的是一个32位的参数。如果要改正这个错误，在声明Fortran子例程变量i时，把它声明为INTEGER*8，此时和C语言中的long为一样长度。

　　结论

　　64位平台是解决大型复杂科学及商业问题的希望，大多数编写良好的程序可轻松地移植到新平台上，但要注意ILP32和LP64数据模型的差异，以保证有一个平滑的移植过程。

原文转自：http://www.ltesting.net