联合内的位域对齐

Question

我对以下代码如何在内存中布局感到有些困惑：

struct Thing
{
    union
    {
        unsigned value:24;
        uint8_t bytes[3];
    };
    Thing(int v)
            :value(v)
    {}

    void foo()
    {
        printf("Thing %p value=%d !\n", this, value);
    }

} __attribute__((__packed__));

在 Linux 上的 gcc 3.3、4.3 或 4.6 上（没有我能想到的任何特殊选项 - 只有 4.6 上的“-Wall -g”），结构的大小始终为 4：

$ pahole ./union
struct Thing {
        union {
                unsigned int               value;                /*           4 */
                unsigned char              bytes[3];             /*           3 */
        };
[...]

我们在这里有一些类似的代码，其中我们在结构中有无符号值：24，有人添加了联合，无意中将结构的大小从 3 个字节增加到 4 个字节。 如果我尝试将联合定义为“打包”，也会发生同样的事情——大小仍然是 4。这种行为是否符合 C++ 规范？会有什么解释？

稍后编辑：将“C 规范”替换为“C++ 规范”。

Answer 1

您错过了匿名联合的打包属性。考虑这个例子：

#define PACKED __attribute__((__packed__))
struct S1 { unsigned value:24; } PACKED ;
struct S2 { union { char a[3]; unsigned value:24; };  } PACKED ;
struct S3 { union { char a[3]; unsigned value:24; } PACKED ;  };


int main() {
   std::cout << sizeof(S1) << std::endl;
   std::cout << sizeof(S2) << std::endl;
   std::cout << sizeof(S3) << std::endl;
}

输出：

3
4
3

packed 属性有点奇怪，我总是尝试测试所有可能的组合以获得正确的结果。

Answer 2

嗯，首先，__attribute__((__packed__)) 是一个 gcc 扩展，因此标准没有说明可能会发生什么或不会发生什么。

然而，一般来说，编译器可以在位域之间插入它认为合适的任何填充。特别是，我看到编译器给出了这个：

 struct
 {
     short a : 8;
     int b : 8;
 }

将 b 在 32 位边界上对齐。

基本上，如果您使用位域，则只能靠自己。不能保证字段或填充的顺序。您唯一的保证是位域的大小。

Answer 3

这个问题被标记为 C++，但你提到了 C 规范。 AFAIK，在这方面 C 和 C++ 是有区别的。 在 C 中，位域只能是整数类型，而 C++ 允许任何整数类型。

由于位域映射到整数类型，我希望位域的大小始终为 1、2 或 4。

因此，这会给你 sizeof 3：

struct Thing
{
    union
    {
        // without 'short' int would be assumed -> 4 bytes
        unsigned short value:15; // -> maps to short -> 2 bytes
        uint8_t bytes[3];        // -> 3 bytes, so the whole union is 3 bytes long
    };
}

使用value:24，它将始终映射到最接近的整数类型，即整数。