将带符号的 32 位存储在无符号的 64 位 int 中答案

【问题标题】：Store signed 32-bit in unsigned 64-bit int将带符号的 32 位存储在无符号的 64 位 int 中
【发布时间】：2023-03-11 08:21:01
【问题描述】：

基本上，我想要的是在无符号 64 位 int 内部（在最右边的 32 位中）“存储”一个带符号的 32 位 int - 因为我想将最左边的 32 位用于其他目的。

我现在正在做的是一个简单的演员表和面具：

#define packInt32(X) ((uint64_t)X | INT_MASK)

但是这种方法有一个明显的问题：如果X 是一个正整数（第一位没有设置），一切都很好。如果它是负面的，它就会变得混乱。

问题是：

如何以最快和最有效的方式实现上述，同时支持负数？

【问题讨论】：

我不知道这是否是最快最有效的方式，但一种方式应该是#define packInt32(X) (((uint64_t)X & UINT32_MAX) | INT_MASK)
什么是INT_MASK？你应该如何处理按位或INT_MASK？也许您打算将按位 and 与 INT_MASK 一起使用？
@Someprogrammerdude 它设置了一些标识符位。
那么从技术上讲，它并不是真正的面具。掩码是您按位执行的操作，用于删除不需要的位。这就是您想要的（删除可能符号扩展值的高 32 位）。
旁白：您真的应该在宏替换文本中的 X 周围添加括号。

【解决方案1】：

假设对 64 位值的唯一操作是将其转换回 32（并可能存储/显示它），则无需应用掩码。编译器会在将 32 位属性转换为 64 位时对它进行签名扩展，并且在将 64 位值转换回 32 位时会选择最低的 32 位。

#define packInt32(X) ((uint64_t)(X))
#define unpackInt32(X) ((int)(X))

或者更好，使用（内联）函数：

inline uint64_t packInt32(int x) { return ((uint64_t) x) ; }
inline int unpackInt32(uint64_t x) { return ((int) x) ; }

【讨论】：

问题中的| INT_MASK 如何适合您的解决方案？
(int) X 不能保证将X 转换为 32 位。即使使用(int32_t) X，转换也是实现定义的。 C 标准不保证它的计算结果与重新解释为 int32_t 的 X 的低 32 位相同。

【解决方案2】：

您需要屏蔽除低 32 位之外的任何位。您可以使用按位与来做到这一点：

#define packInt32(X) (((uint64_t)(X) & 0xFFFFFFFF) | INT_MASK)

【讨论】：

【解决方案3】：

您提到的“混乱”是因为您将一个小的有符号类型转换为一个大的无符号类型。在此转换期间，首先通过应用符号扩展来调整大小。这就是造成您麻烦的原因。

您可以先简单地将（有符号）整数转换为相同大小的无符号类型。然后转换为 64 位不会触发符号扩展：

#define packInt32(X) ((uint64_t)(uint32_t)(X) | INT_MASK)

【讨论】：

【解决方案4】：

一种选择是在回读时解开符号扩展和上限值，但这可能会很混乱。

另一种选择是使用位压缩字构造联合。然后，这会将问题交给编译器进行优化：

union {
  int64_t merged;
  struct {
     int64_t field1:32,
             field2:32;
  };
};

第三种选择是自己处理符号位。存储 15 位绝对值和 1 位符号。不是超级高效，但如果您遇到无法将负符号值安全地转换为无符号的非 2 补码处理器，则更有可能是合法的。它们像母鸡一样稀有，所以我自己不会担心。

【讨论】：

【解决方案5】：

32 位负整数将被符号扩展为 64 位。

#include <stdint.h>
uint64_t movsx(int32_t X) { return X; }

x86-64 上的 movsx：

movsx:
        movsx   rax, edi
        ret

屏蔽较高的 32 位将删除导致它只是零扩展：

#include <stdint.h>
uint64_t mov(int32_t X) { return (uint64_t)X & 0xFFFFFFFF; }
//or uint64_t mov(int32_t X) { return (uint64_t)(uint32_t)X; }

在 x86-64 上移动：

mov:
        mov     eax, edi
        ret

这两种方法都不会丢失低 32 位的任何信息，因此这两种方法都是将 32 位整数存储到 64 位整数中的有效方法。

普通mov 的 x86-64 代码短一个字节（3 个字节对 4 个）。我不认为应该有太大的速度差异，但如果有的话，我希望普通的mov 会赢得一点点。

【讨论】：