如何在C语言中请求至少一个int的大小

Question

情况：

我有一个用C语言编写的应用程序，它需要占用大量资源，并且设计成可移植的。我希望允许编译器选择适合该架构最快的int大小，前提是它至少为32位。

是否可能选择至少32位的大小，或者编译器会自动为我优化这些内容？

- derekdreery

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为什么要加上C++标签？是否需要兼容C++？ - Niall

我认为这就是“长”的意思所在。 - Quentin

您正在寻找类似于int_least32_t的stdint.h类型定义。 - toasted_flakes

@Quentin：不，不是。 - Kaiserludi

@Quentin：标准在哪里保证long总是架构中最快的整数类型？ - Kaiserludi

Answer 1

标准头文件 stdint.h 提供类型 int_leastN_t 和 uint_leastN_t，其中 N 可以是 8、16、32 和 64（也可能有其他值，但不是必需的）。这些类型自 C99 标准开始就被定义了。

它还提供了“快速”替代类型，即具有相同 N 值的 int_fastN_t 和 uint_fastN_t。

因此，在您的情况下，可以使用 int_least32_t 或 int_fast32_t。

- Drew McGowen

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OP 需要使用 int_fast32_t。int_least32_t 不是速度最快的 32 位整数类型，只是最小的类型。 - TonyK

谢谢，这正是我想知道的。 - derekdreery

在一些重要的架构中（例如 x86_64），int_fast32_t 的定义是错误的，它实际上是一种更慢的类型（64 位而非32位）：对于 +/ -/ *，两者速度相同，但对于 /来说它会慢得多，并且当然，由于使用了两倍的缓存行和两倍的内存带宽，加载/存储的速度也会变慢。因此，我非常不愿意使用它。我不知道有任何一种架构可以使用32位整型以外的最快数据类型处理“至少32位”的整数。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE

@R..：short也应该是一样的，对吧？也就是说，如果它们实际上更小，并且C没有自动将它们提升为int，那么short的除法应该更快，对吗？ - user541686

@Mehrdad：可能会有额外的成本用于加载/存储并执行shorts上的操作。在一些旧的x86 CPU上，操作数大小前缀阻止了流水线；现在唯一的成本可能就是增加了指令缓存使用率。当然，这是“快速”类型被误导的另一个原因，哪种类型更快很可能取决于特定的CPU型号，而不仅仅是ISA。你不能实际上让类型根据“-march”或某些其他东西变化，因为那会破坏ABI。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE

@R..：感谢您提供的额外信息，感觉它应该成为一个独立的答案。如果你真的想要优化，似乎总是有许多复杂的层次。您还暗示了必须涉及缓存管理，可能包括汇编语言，以获得良好的优化效果，并且这将比类型宽度带来更大的差异？ - derekdreery

Answer 2

正如其他人所指出的，标准的包含文件定义了int_fast32_t、int_least32_t、uint_fast32_t和uint_least32_t等类型，这些类型可能是您想要的，但是必须非常小心地使用。由于整数提升规则，C代码无法避免使用int和unsigned int类型。此外，整数字面量可能并不总是预期的类型。例如，在int_fast32_T和字面量0xABCD1234或12345u之间进行比较可能会根据int是16位、32位还是64位而被执行为有符号或无符号。同样，如果n是32位或更大，则在16位机器上执行n &= ~0x8000;的含义与在更大机器上执行n &= ~0x8000;的含义不同。

C标准从未特别设计用于方便编写关注整数大小的代码，但仍可在具有不同大小硬件的情况下兼容工作。像int_fast32_t这样的类型使得编写看起来应该是可移植的代码变得容易，但可能会鼓励对语言中隐藏的所有令人讨厌的小陷阱产生满足感。

- supercat

Answer 3

这个问题也被标记为C++，所以这里有一个针对像我一样喜欢模板元编程的解决方案。

要求

• 一个类型列表类型，此处命名为list。
• 类似Haskell的filter元函数。
• 一个head元函数，用于获取类型列表的第一个元素。

代码

这个解决方案自动化了已接受的解决方案（即“转到并选择最适合您的”）。编译器可以完成这项工作，不是吗？

首先列出在<cstdint>中声明的特定于平台的最快整数类型：

using integer_types = list<std::int_fast8_t,std::int_fast16_t,
                           std::int_fast32_t,std::int_fast64_t>;

请注意，该列表按整数大小递增排序。
现在定义一个过滤谓词。在我们的情况下，大小应该小于用户指定的大小（将其命名为SIZE）：

template<typename T>
using f = std::integral_constant<bool,sizeof(T)*CHAR_BITS <= SIZE>;

然后过滤整数类型列表并获取结果的第一个元素：

using best_integer_t = head<filter<f,integer_types>>;

总结的解决方案

template<std::size_t SIZE>
struct fastest_integer_impl
{
    //Guard for the case the user specified less than one byte size:
    static constexpr const std::size_t size = SIZE >= CHAR_BITS ? size : CHAR_BITS;

    using integer_types = list<std::int_fast8_t,std::int_fast16_t,
                               std::int_fast32_t,std::int_fast64_t>;

    template<typename T>
    using f = std::integral_constant<bool,sizeof(T)*CHAR_BITS <= size>;

    using type = head<filter<f,integer_types>>;
};

template<std::size_t SIZE>
using fastest_integer = typename fastest_integer_impl<SIZE>::type;

- Manu343726

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“fastest_integer<4>”是否会与“std::int_fast32_t”给出相同的结果？这种方式比直接使用“std::int_fast32_t”有何优点？请简化表述，但不要改变原意。 - PeterSW

@PeterSW 抱歉，实现中有个打字错误。元函数应该使用位大小工作。元函数的目的是自动化整数选择过程。就像“我正在使用20位，你们至少有哪种最快的整数类型？” - Manu343726

谢谢你的一些C++ :) - derekdreery

Answer 4

最快 => 使用#pragma pack对齐架构。如果不对齐内存，则可能需要多次内存访问。

最小32 => 使用int说明符 - 足够了。据我所知，这可以确保在Linux上跨所有架构使用32位。

- sudhakar

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实际上恰恰相反。pragma pack会导致数据不对齐，因为它阻止了编译器插入必要的填充以保持数据对齐。 - Mysticial

他说“可移植性”，不能假设是Linux。虽然16位系统现在很少见，但我认为除非问题实际上说明了这一点，否则不能排除它们的可能性。 - David Gelhar

不知道我怎么会发布这样的答案。我想我一定是错了题目，误发了这个答案。 - sudhakar