X86平台Linux 32bit和64bit编程注意事项

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-pow-inteltopwr/index.html

关于作者：Calvin Sze 是 IBM eServer Solutions Enablement 组织的一名 Linux 顾问。他在得克萨斯州的奥斯汀市工作。Calvin 的主要职责是帮助解决方案开发人员将他们的应用程序引入 Linux on POWER。Calvin 致力于 Linux 和 AIX 平台上的软件开发和系统集成已经 10 多年了。您可以通过 [e-mail] 与 Calvin 联系。

 

32 位环境和 64 位环境中数据类型的长度

Linux 操作系统上的 GCC 和 XL C/C++ 编译器都提供两种不同的编程模型：ILP32 和 LP64。ILP32 代表 integer/long/pointer 32，这是 Linux 上的 32 位编程环境。ILP32 数据模型提供了 32 位的地址空间，其理论内存上限是 4 GB。LP64 代表 long/pointer 64，这是 Linux 上的 64 位编程环境。表 1 给出了在 POWER 和 x86 平台中 ILP32 和 LP64 模型中基本数据类型的宽度。
表 1. POWER 和 x86 平台中 ILP32 和 LP64 模型中基本数据类型的宽度（位数）
POWERx86ILP32ILP64ILP32ILP64char8888short16161616int32323232float32323232long32643264long long64646464double64646464long double64/128*64/128*96128pointer32643264

* 在 Linux on POWER 中，long double 缺省为 64 位。如果您使用 XL C/C++ 编译器的 -qlongdouble 选项，可以将其设置为 128 位的。

所有有关数字类型的定义在 POWER 和 x86 平台上都可以在 /usr/include/limits.h 中找到。

现在大部分 x86 平台上的 Linux 应用程序都是以 32 位模式运行的。然而，随着 x86 64 位扩展的出现（x86-64），越来越多的程序将会直接编写为 64 位的。在将 x86 应用程序移植到 POWER 平台上时，您应该使用与源环境匹配的 Linux POWER 环境。换言之，在迁移到 POWER 平台上的过程中，要避免从一个 32 位编程模型迁移到 64 位的编程模型，因为这种尝试并不是单纯的移植，而是一次开发任务。如果您将一个 32 位的 x86 应用程序移植到 64 位 POWER 编程模型中，那么可以将这次迁移分为两个步骤：

1. 移植到 Linux on POWER 的 32 位环境中（包括测试和验证）。
2. 迁移到 64 位环境中。

这就是说，如果一个程序可以满足以下条件，就应该被移植到 64 位环境中：

• 可以利用超过 4 GB 的虚拟地址空间。
• 可以利用更多的物理内存（超过 4 GB），如果用户希望将其部署到一个具有多于 4 GB 物理内存的系统上。
• 可以利用 64 位的 long integer 类型。
• 可以利用全部的 64 位寄存器实现更有效的 64 位数学计算。
• 使用大于 2 GB 的文件。

可以从迁移到 64 位程序中获益的一些程序包括：

• 数据库应用程序，尤其是那些进行数据挖掘的程序
• Web 缓存和 Web 搜索引擎
• CAD/CAE 模拟和建模工具的组件
• 科学计算程序，例如流体力学、遗传仿真

一个程序可以保持是 32 位的，但仍然可以在 64 位的 Linux on POWER 内核上运行，而不需要修改代码。IBM 基于 POWER 处理器的服务器上的 Linux 可以支持在 64 位体系结构上同时运行 32 位和 64 位的应用程序，而不会造成这两种模式的性能降低，这是因为 64 位的 POWER 体系结构中包含了对本地 32 位模式的完全支持。

在不同的平台（从 x86 到 POWER）或编程模式（从 ILP32 到 LP64）之间移植程序时，您应该考虑不同环境中数据宽度和对齐设置的不同，这样才能防止出现可能的性能降低或数据崩溃的问题。

在从 x86 ILP32 移植到 POWER ILP32 上或从 x86 LP64 移植到 POWER LP64 上时，注意在 表 1 中，所有的基本数据类型的宽度都是相同的，long double 例外，对于 64/128 位的 IPL32 来说，它是 96 位；而对于 64/128 位的 LP64 来说，它是 128 位。这意味着您应该尽可能地检查以下代码中与 long double 数据类型有关的地方。如果您计划要使用 XL C/C++ 编译器，请使用-qlongdouble 编译标记来保证 long double 数据类型具有最好的可移植性。

数据对齐

在不同的平台或 32 位和 64 位模式之间移植程序时，要考虑不同环境中对齐设置的不同，从而避免出现可能的性能降低和数据崩溃的问题。最好的实践方法是确保数据都是自然对齐的。自然对齐的意思是说将数据项存储在是其大小的整数倍的地址处（例如，8 字节的数据的地址就应该是 8 的整数倍）。对于 XL C/C++ 编译器来说，聚集类型（C/C++ 结构/联合和 C++ 类）中的每种数据类型都会根据 linuxppc 或位填充规则按照字节边界进行对齐，其中 linuxppc 是缺省值，它是自然对齐的。linuxppc 也是与缺省的 GCC 对齐规则兼容的。表 2 显式了 POWER 和 x86 上的对齐值，以及它们的数据类型的宽度（以字节为单位）。

表 2. POWER 和 x86 上的对齐值（以字节为单位）
POWERx86ILP32ILP64ILP32ILP64宽度对齐宽度对齐宽度对齐宽度对齐char11111111short22222222int44444444float44444444long44884488long long88888888double88888888long double8/1688/1681241616pointer44884488

GCC 和 XL C/C++ 中的关键字 __alignof__ 让您可以了解一个对象是如何对齐的。它的语法与sizeof 类似。例如，如果目标及其要求一个 double 类型的值按照 8 字节边界进行对齐，那么__alignof__ (double) 就是 8。

正如在 表 2 中介绍的一样，long double 类型的变量在 x86 平台上是按照 4 个字节进行对齐的，而在 POWER 平台上则是按照 8 个字节进行对齐的。因此，在不同的平台上，这种结构就有不同的布局。不要将大小和偏移量都在编码中写死了，这一点非常重要。相反，使用 C 语言中的sizeof 操作可以查询基本类型和复杂类型的大小。宏 offsetof 是一个变量，它可以获取结构程序从该结构开始地址处的偏移量。