为什么要分步进行位移操作？

Question

在Linux内核中，我发现了以下代码：

static inline loff_t pos_from_hilo(unsigned long high, unsigned long low)
{
#define HALF_LONG_BITS (BITS_PER_LONG / 2)
    return (((loff_t)high << HALF_LONG_BITS) << HALF_LONG_BITS) | low;
}

该代码用于将系统调用参数组合成一个更宽的变量，例如在ia32上，pwritev的偏移量在两个32位寄存器中指定。

在x64上，loff_t和unsigned long都是64位宽。在这种情况下，高变量被忽略，只使用低变量。在ia32上，loff_t为64位宽，unsigned long为32位宽。在这种情况下，将组合两个参数high和low。

我想知道为什么代码要进行两次位移而不是一次。关于这段代码有更多的信息，请参见提交消息和LWN文章：系统调用和64位架构，但没有解释双重位移的原因。

- Georg Schölly

Answer 1

以下在测试应用中的警告帮助我弄清了这个问题：

test.c:8:27: warning: left shift count >= width of type [-Wshift-count-overflow]
    8 |     return (((loff_t)high << (2*HALF_LONG_BITS))) | low;

双位移操作保护程序免于未定义行为。根据C规范（来自此处）：

6.5.7 3) ... 如果右操作数的值为负，或大于等于提升后的左操作数的宽度，则其行为未定义。

在64位机器上，loff_t和long的宽度均为64位。如果我们一次性进行位移操作，会将high左移64位，这根据上述声明是未定义的行为。分两步执行可以将high变为0。

PS：我编写了一个测试程序来调查这个问题，令人惊讶的是，当我将这两个位移操作替换为一个单独的位移操作时，得到了不同的结果。

- Georg Schölly

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我可能在这里漏掉了什么，但如果（预期的？）净结果是左移类型宽度恰好等于位数的数量，为什么不只是return low;呢？ - Bob__

@Bob__: 我认为 BITS_PER_LONG 是 unsigned long 的宽度，但 loff_t 可能更宽。我相信这个想法是为了编写代码，以便在 loff_t 比 unsigned long 更宽时将 high 和 low 打包到返回值中，并且如果它们具有相同的宽度，则仅返回 low。 - Nate Eldredge

@NateEldredge 如果我没记错的话，鉴于 /include/linux/types.h 和 /include/uapi/asm-generic/posix_types.h 中的 typedef，loff_t 最终会成为一个 long long，因此用两个 unsigned long 填充它是否会导致 UB？ - Bob__

@Bob__: 内核是使用-fno-strict-overflow构建的，因此有符号整数溢出不是UB，而是保证会环绕。所以我认为一切都很好。在一个unsigned long为32位且loff_t为64位的系统上，您将high和low打包到返回值中，如果high太大，那么发生的所有情况就是返回值为负数（可能在其他地方进行检查）。如果unsigned long和loff_t都是64位，则(((loff_t)high << HALF_LONG_BITS) << HALF_LONG_BITS)保证计算结果为0，然后我们只返回low。 - Nate Eldredge

@NateEldredge 我明白了，谢谢。我本来会写类似于这个的东西，但那已经不重要了。 - Bob__