如何在大多数平台上使用C99标准类型以实现最大的可移植性和效率？

Question

首先,这是我理解并思考问题的真实情况.

1. 对单个变量(如计数器或for循环索引)使用快速数据类型.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,这将是所有平台上最快的实现.如果我使用unsigned int它,它将在> = 16位平台中最快,但在<16位平台中将更慢,因为int标准最小16位.此外,如果我使用uint8_t它将在> 8位平台上更慢,因为编译器添加了一个AND 0xFF指令来检查每个增量的溢出(我的ARM7编译器即使在全速优化时也这样做).size_t也不是一个选项,因为它可能大于本机整数大小.

   如果预计8位溢出,那么坏的一面(？)就不会发生.程序员应该手动检查溢出(因为他/她应该恕我直言),这可能会导致错误的代码,如果忘记.此外,如果LOOP_COUNT在8位平台上"意外地"设置为大于255的值,编译器(甚至PC-Lint让我意外)将不会发出任何警告/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. 如果像数组或结构中那样关注内存使用情况,请尽可能使用最少的数据类型.例如:

   uint_least8_t array[100];
   

   如果关注内存使用情况,它是最容易和最有效的声明数组的方法.如果在平台上可以进行字节访问,则此类型将提供字节数组,否则将提供最小的可访问宽度整数数组.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的问题,因为变量的宽度可以在两种情况下在不同平台上改变.

3. 尽可能避免使用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__attribute__((packed))(或类似的东西)应该用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,我认为最不可能在数组或结构中使用最少的数据类型,快速数据类型更可能用于单个变量,并且不太可能使用固定数据类型以实现最大化便携性和效率.但每次输入"快速"和"最少"并不令人鼓舞.所以,我想到一个类型集如下:

    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,我的理解是真的吗？
• 什么是最便携和有效的方式使用C99标准类型,如果它不是真的你会如何声明它们？
• 我的类型集是否有意义或是否可能产生错误的代码？

此外,我很高兴知道您使用C99标准类型的方式和位置.

Answer 1

编写高度可移植的代码很困难。编写高度可移植、最佳且能正常工作的代码就更难了。

大多数时候，如果可行的话，我建议使用基本类型，例如int,char等，而不是uint8_t或uint8_fast_t。类型int和char保证存在。毫无疑问。当然，有时我们需要代码中的特定行为，这将需要特定的类型 - 但如果系统不支持该确切类型，该代码很可能会崩溃。

int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更好的性能。在 16 位、32 位或 64 位处理器上，本机大小将是最快的 for 循环（无符号在 64 位计算机上稍好一些，因为它不需要符号扩展）。

在第二个示例中，只有数组足够大才能保证比使用 or 或 或任何对内容有意义的内容节省空间char才int重要short。在现代机器上（包括许多嵌入式平台，甚至在使用堆栈时）400 字节实际上并不算多。

对于第三个示例，显然，对于协议，您需要使用与协议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，这必须以某种特定于平台的方式来解决 - 如何解决它将取决于平台实际支持的内容。

因此，回答您的具体问题：

• 看来您了解整体概念。但你似乎也试图将其推得比需要推得更远，如果这有意义的话。
• 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，特别是如果未一致使用的话。

还要记住，性能通常是 90% 的时间被 10% 的代码占用的情况。了解代码（在正常使用情况下）将时间花在哪里至关重要。当然，当将代码移植到不同的系统和不同的架构时，您可能会发现性能瓶颈发生了变化，这取决于处理器速度、缓存大小和内存速度之间的关系。举个例子，具有高处理器速度但（相对）较小缓存的系统有时可能比具有较低时钟速度和较大缓存的类似系统表现更差。