64ビットポインターの余分な16ビットを使用する 質問する

上位ビットは、将来アドレスバスが増加する場合に備えて予約されているため、単純にそのまま使用することはできません。

AMD64アーキテクチャは64ビットの仮想アドレス形式を定義しており、その下位48ビットが現在の実装で使用されています（...）アーキテクチャ定義将来の実装ではこの制限を64ビットまで引き上げることができる。仮想アドレス空間を 16 EB (2 ⁶⁴バイト) に拡張します。これは、x86 の4 GB (2 ³²バイト)と比較されます。

^{http://en.wikipedia.org/wiki/X86-64#アーキテクチャ機能}

さらに重要なのは、同じ記事によると次の通りである（強調は筆者による）。

...アーキテクチャの最初の実装では、仮想アドレスの最下位48ビットのみが実際にアドレス変換（ページテーブル検索）に使用されていました。さらに、仮想アドレスのビット48から63はビット47のコピーでなければならない（似たような方法でサイン拡張) に従わない場合、プロセッサは例外を発生させます。この規則に準拠するアドレスは、「標準形式」と呼ばれます。

CPU は、たとえ使用されていない場合でも上位ビットをチェックするので、実際には「無関係」というわけではありません。ポインタを使用する前に、アドレスが正規であることを確認する必要があります。

最近の CPU の中には、上位ビットを無視して、最上位ビットがビット #47 (PML4) または #56 (PML5) と一致するかどうかのみをチェックするものもあります。Intelリニア アドレス マスキング (LAM)カーネルは、ユーザー空間、カーネル、またはその両方に対して、プロセスごとに有効にすることができます。AMDUAI (上位アドレス無視)同様です。ARM64にも同様の機能があり、トップバイト無視 (TBI)これにより、ポインターにデータを格納するのがより効率的かつ簡単になります (参照解除する前に手動でデータを削除する必要も、タグ付けを認識しない関数に渡す必要もありません)。

とはいえ、x86_64では必要に応じて上位16ビットを自由に使用可能（仮想アドレスが48ビットより広くない場合は、以下を参照）ただし、ポインタ値をチェックして修正する必要があります。符号拡張逆参照する前にそれを実行します。

^{ポインタ値をキャストすることlongは正しいやり方ではないlongポインタを格納するのに十分な幅があるかどうかは保証されていないため、uintptr_tまたはintptr_t。}

int *p1 = &val; // original pointer
uint8_t data = ...;
const uintptr_t MASK = ~(1ULL << 48);

// === Store data into the pointer ===
// Note: To be on the safe side and future-proof (because future implementations
//     can increase the number of significant bits in the pointer), we should
//     store values from the most significant bits down to the lower ones
int *p2 = (int *)(((uintptr_t)p1 & MASK) | (data << 56));

// === Get the data stored in the pointer ===
data = (uintptr_t)p2 >> 56;

// === Deference the pointer ===
// Sign extend first to make the pointer canonical
// Note: Technically this is implementation defined. You may want a more
//     standard-compliant way to sign-extend the value
intptr_t p3 = ((intptr_t)p2 << 16) >> 16;
val = *(int*)p3;

int *p1 = &val; // the pointer we want to store the value into
int tag = 1;
const uintptr_t MASK = ~0x03ULL;

// === Store the tag ===
int *p2 = (int *)(((uintptr_t)p1 & MASK) | tag);

// === Get the tag ===
tag = (uintptr_t)p2 & 0x03;

// === Get the referenced data ===
// Clear the 2 tag bits before using the pointer
intptr_t p3 = (uintptr_t)p2 & MASK;
val = *(int*)p3;

 6                 4 4 4  4 4                                             0
 3                 7 6 5  2 1                                             0
+-------------------+-+----+-----------------------------------------------+
|00000000 00000000 0|0|1111|11 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111|
+-------------------+-+----+-----------------------------------------------+
|                   | |    |
|                   | |    * 41-0 Object Offset (42-bits, 4TB address space)
|                   | |
|                   | * 45-42 Metadata Bits (4-bits)  0001 = Marked0
|                   |                                 0010 = Marked1
|                   |                                 0100 = Remapped
|                   |                                 1000 = Finalizable
|                   |
|                   * 46-46 Unused (1-bit, always zero)
|
* 63-47 Fixed (17-bits, always zero)