C中的字和双字整数

Posted 2023-02-25

【中文标题】C中的字和双字整数

【英文标题】：Word and Double Word integers in C

【发布时间】：2010-01-10 05:09:59

【问题描述】：

我正在尝试在 C 中实现一个简单、中等效率的 bignum 库。我想使用编译它的系统的完整寄存器大小（大概是 32 位或 64 位整数）来存储数字。我的理解是我可以使用 intptr_t 完成此操作。它是否正确？有没有更符合语义的类型，例如 intword_t 之类的？

我还知道，使用 GCC，我可以通过将两个参数向上转换为 64 位整数来轻松地在 32 位机器上进行溢出检测，这将占用两个寄存器并利用 IA31 ADC 之类的指令（带进位相加）。我可以在 64 位机器上做类似的事情吗？有没有我可以向上转换的 128 位类型，如果它们可用，它们将编译以使用这些指令？更好的是，是否有代表两倍寄存器大小的标准类型（如 intdoubleptr_t），因此可以以独立于机器的方式完成？

谢谢！

【问题讨论】：

有什么理由不想使用现有且经过良好测试的库？

Mitch：对我来说，这主要是一个练习我的 C 的练习。

在 x86_64 系统上使用 GCC，您可以使用 __int128_t 类型进行 128 位整数运算。但是，这不是便携式的。

几年前在 Java 中做了同样的事情，它也不支持 asm 来检查位，它在内部表示为 31 或 63 位比在使用时扩大效率要高得多。 GMP 对“钉子”有实验性支持，这似乎是一种类似的方法。

Pete，我认为您应该将该评论添加为实际答案（添加到“检测溢出”部分）。

【参考方案1】：

有什么理由不使用 size_t 吗？ size_t 在 32 位系统上是 4 个字节，在 64 位系统上是 8 个字节，并且可能比使用 WORD_SIZE 更便携（我认为 WORD_SIZE 是 gcc 特定的，不是吗？）

我不知道 64 位系统上的任何 128 位值，这里可能是错误的，但在内核或普通用户应用程序中没有遇到这种类型。

【讨论】：

我从中得到的印象是 intptr_t 比 size_t 更便于移植：***.com/questions/1464174/sizet-vs-intptrt 当然，我不是要存储指针，而是要存储一个整数占用了整个寄存器。

@datkin：您的链接中的问题专门关于存储指针。对于您的情况，size_t 优于 intptr_t，或者使用 [u]int[_fast]N_t 类型。

我知道这只是一个练习，但便携性有多重要？如果它不重要，那么也许你不关心 size_t。我在#defines

中使用 size_t 时也遇到了问题

【参考方案2】：

我强烈建议使用 C99 <stdint.h> 标头。它声明了int32_t、int64_t、uint32_t 和uint64_t，看起来就像你真正想要使用的一样。

编辑：正如 Alok 指出的那样，int_fast32_t、int_fast64_t 等可能是您想要使用的。您指定的位数应该是数学运算所需的最小值，即计算不会“翻转”。

优化来自这样一个事实，即 CPU 不必浪费周期重新对齐数据、在读取时填充前导位以及在写入时执行读取-修改-写入。事实是，很多处理器（例如最近的 x86s）在 CPU 中都有硬件可以很好地优化这些访问（至少是填充和读取-修改-写入部分），因为它们非常常见并且通常只涉及之间的传输处理器和缓存。

因此，您唯一要做的就是确保访问对齐：获取 sizeof(int_fast32_t) 或其他任何内容，并使用它来确保您的缓冲区指针与其对齐。

事实是，这可能不会带来太大的改进（由于硬件在运行时优化传输），所以编写一些东西并定时它可能是唯一确定的方法。此外，如果您真的对性能非常着迷，您可能需要查看 SSE 或 AltiVec 或您的处理器拥有的任何矢量化技术，因为在进行矢量数学运算时，它们的性能将优于您可以编写的任何可移植的东西。

【讨论】：

问题是我希望在 32 位机器上使用 int32_t 和在 64 位机器上使用 int64_t 存储数字。以下是比使用 intptr_t 类型更好的方法吗？：#if __WORDSIZE == 64 typedef int64_t intword_t #else typedef int32_t intword_t #endif 另外，在 32 位机器上，我总是可以将 int32_t 向上转换为 int64_t 以确保此外，等不会溢出，但是在 64 位机器上，是否有 128 位类型我可以向上转换以避免溢出？

C99 定义了int_fast64_t、int_fast32_t 等。所以也许它们会有用？由于您的目标是实现一个中等效率的库，我会说使用上述之一，然后根据需要进行优化。

我的理解是 int_fastXX_t 类型只是您机器的自然 int 类型的“别名”（除非 XX 大于机器的本机 int 宽度）。因此 int_fast8_t 在 32 位机器上为 32 位，在 64 位机器上为 64 位。这些类型是否提供其他优化或仅此而已？

@datkin，是的：int_fast32_t 实际上可能是 int64_t。但它们不提供任何其他优化。我之所以提出这个建议是因为您在原始问题中提到了优化。无论如何，由于您只是“尝试”，您应该选择一种类型，然后再进行优化。