c - 如何使用 C99 标准类型在大多数平台上实现最大的可移植性和效率？

Question

首先，这是我对这个问题的理解和想法。

1. 对单个变量使用快速数据类型，例如计数器或 for 循环索引。例如:

   #define LOOP_COUNT (100U)
   
   uint_fast8_t index;
   for(index = 0; index < LOOP_COUNT; index++){
       /* Do something */
   }
   

   我想这里最合适的类型是 uint_fast8_t，因为 index 永远不会超过 255，这将是所有平台的最快实现。如果我改用 unsigned int，它将在 >=16 位平台上最快，但在 <16 位平台上会更慢，因为 int 是标准的最小 16 位。此外，如果我使用 uint8_t 它在 >8 位平台上会变慢，因为编译器添加了 AND 0xFF 指令来检查每个增量的溢出(我的 ARM7 编译器甚至这样做全速优化)。 size_t 也不是一个选项，因为它可能大于 native 整数大小。

   坏的一面(？)如果预计 8 位溢出，它就不会发生。程序员应该手动检查溢出(他/她应该恕我直言)，如果忘记这可能会导致错误代码。此外，如果 LOOP_COUNT 在 >8 位平台上“意外”设置为大于 255 的值，编译器(甚至令我惊讶的是 PC-Lint)不会发出任何警告/问题，但警告将在 8 位平台上生成，这会降低可移植性并引入错误，但这可以通过 #if 检查来避免。

2. 如果需要考虑内存使用情况(如数组或结构)，请尽可能使用最少的数据类型。例如:

   uint_least8_t array[100];
   

   如果关注内存使用，这是声明数组的最便携和最有效的方法。如果平台上可以进行字节访问，则此类型将提供一个字节数组，否则将提供最小可访问宽度的整数数组。此外，如果我们有结构数组，则可以在结构中使用最少类型。

   最小类型也可能遇到快速类型所遇到的问题，因为对于这两种情况，变量的宽度可以在不同的平台上更改。

3. 尽可能避免固定宽度的数据类型，因为在某些平台上它们甚至可能不存在，除了硬件寄存器访问、通信协议(protocol)映射等我们需要知道变量的确切位。例如:

   typedef struct {
       uint8_t  flags;
       uint8_t  length;
       uint8_t  data[100];
       uint16_t crc;
   } __attribute__((packed)) package_t;
   

   通常应使用 __attribute__((packed))(或类似的东西)来确保不会为这些情况插入填充，因为这本身就是一个问题。

现在，如果我的理解是正确的，我认为最少数据类型更可能用于数组或结构，快速数据类型更可能用于单个变量，而固定数据类型不太可能用于顺序以实现最大的便携性和效率。但是每次都输入“快”和“最少”并不令人鼓舞。于是，我想到了一个类型集如下:

    typedef [u]intN_t       os_[u|s]exactN_t;
    typedef [u]int_fastN_t  os_[u|s]N_t;
    /* I couldn't come up with a better name */
    typedef [u]int_leastN_t os_[u|s]minN_t;
    /* These may change */
    typedef uint_least8_t   os_byte_t;
    typedef uint_least16_t  os_word_t;
    /* ... */

• 首先，重要的问题是，我的理解是否正确？
• 使用 C99 标准类型的最便携和最有效的方法是什么？如果不是这样，您将如何声明它们？
• 我的类型集是否有意义，或者它是否可能产生错误代码？

此外，我很高兴知道您如何以及在何处使用 C99 标准类型。

Answer 1

编写高度可移植的代码很困难。编写最佳且可正常工作的高度可移植代码更加困难。

在大多数情况下，如果可行，我会建议使用基本类型，如int、char 等，而不是uint8_t 或 uint8_fast_t。 int 和 char 类型保证存在。毫无疑问。当然，有时我们需要代码中的特定行为，这将需要特定类型——但如果系统不支持该确切类型，则该代码很可能会中断。

对于您的第一个示例，除非您的代码设计为(也)在 8 位处理器上运行，否则您不太可能获得比使用 int 更好的性能。在 16 位、32 位或 64 位处理器上， native 大小将是最快的 for 循环(无符号在 64 位机器上稍微好一些，因为它不需要符号扩展)。

在您的第二个示例中，只有当数组足够大以保证使用 char 或 int 或 short< 节省空间时，它才真正重要 或任何对内容有意义的内容。在现代机器上(包括许多嵌入式平台，甚至在使用堆栈时)400 字节并不是那么多。

对于您的第三个示例，显然，对于协议(protocol)，您将需要使用与协议(protocol)定义完全匹配的类型，否则会出错。在不支持正确类型的平台上，这将必须以某种特定于平台的方式来解决——你如何去做将取决于平台实际支持的内容。

因此，回答您的具体问题:

• 您似乎了解整体概念。但你似乎也试图把它推得比需要推的更远，如果那样的话说得通。
• 不适用。

• 过度使用“特殊类型”变量可能会:

  1. 放慢速度，
  2. 可能会导致错误，尤其是在使用不当的情况下。

还请记住，性能通常是 90% 的时间被 10% 的代码占用的情况。了解您的代码(在正常使用情况下)花费时间的位置至关重要。当然，当将代码移植到不同系统和不同架构时，您可能会发现性能瓶颈会根据处理器速度、缓存大小和内存速度之间的关系发生变化。一个具有高处理器速度但(实际上)小缓存的系统有时会比具有较低时钟速度和较大缓存的类似系统表现更差，这只是一个例子。