位域实际上是如何工作的？在什么情况下会发生位填充？

Question

我最近被介绍到位域。我有一个以下工会。

 typedef struct
  {
            uint16_t        var1:16;         
            uint32_t       var2:28;         
            uint8_t        var3:8;       
            uint8_t        var4:8;     
            uint8_t        var5:8;   
            uint8_t        var6:8;  
            bool        var7:1;  
            bool         var8:1;          
            bool         var9:1;    
            bool         var10:1;  
            bool         var11:1;    
            uint8_t         var12:1;    
            uint8_t        var13:7;        
            uint8_t        var14:7;   
            uint32_t       var15:18;           
            uint16_t       var16:10;         
            uint8_t        var17:4;         
  } packet_bit_map;
typedef union
{

packet_bit_map packetsArrived ;
  uint8_t packetRaw[16];
} packetDecode;

这个想法是复制来自外部设备的数据流，它是 16 字节的单个字节值，然后使用位域结构来访问特定信息。 但是在调试后我无法做到这一点，我发现联合 packetDecode 的大小最终为 20 而不是 16 ，因为 packetsArrived 持有 20bytes 。为什么会这样？以及如何避免这种填充？

编辑：我知道一种解决方案是使用属性填充，但遗憾的是我不能在我的项目中使用内联函数。

Answer 1

如果您想打包：

1. 将字段分组为完全适合的类型。
2. 请勿使用bool 作为位域的类型。
3. 打包结构（依赖于实现）

 typedef struct __attribute__((packed))
  {
            uint16_t        var1:16;         
            uint64_t        var2:28;         
            uint64_t        var3:8;       
            uint64_t        var4:8;     
            uint64_t        var5:8;   
            uint64_t        var6:8;  
            uint64_t        var7:1;  
            uint64_t        var8:1;          
            uint64_t        var9:1;    
            uint64_t        var10:1;  
            uint16_t        var11:1;    
            uint16_t        var12:1;    
            uint16_t        var13:7;        
            uint16_t        var14:7;   
            uint32_t        var15:18;           
            uint32_t        var16:10;         
            uint32_t        var17:4;         
  } packet_bit_map;

https://godbolt.org/z/Pz3YzEE76

Answer 2

考虑在 packet_bit_map 的结构声明中使用#pragma pack。 #pragma pack的用法和效果在这个帖子的回答中解释的很好：#pragma pack effect

Answer 3

6.7.2.1 结构和联合说明符
...
5     位域的类型应为 _Bool、signed int、unsigned int、unsigned int、或其他一些实现定义的类型。这是 实现定义是否允许原子类型。
...
11     实现可以分配任何大到足以容纳位域的可寻址存储单元。如果有足够的空间，一个位域紧跟在另一个位域之后 结构应打包到同一单元的相邻位中。如果剩余空间不足， 不适合的位域是否放入下一个单元或与相邻单元重叠是 实现定义。一个单元内位域的分配顺序（高位到 低阶或低阶到高阶）是实现定义的。对齐方式 未指定可寻址存储单元。

^{C 2011 Online Draft}

在英语中，这就是说，将位域映射到存储，以及位域是否彼此直接相邻或是否有缝隙。查看您的代码，var1 占用 16 位（两个完整的 8 位字节），var2 占用 28 位（三个半 8 位字节），var3 占用 8 位。一个合理的映射会为var1 分配一个2 字节的存储单元，为var2 分配一个4 字节的存储单元，以及一个额外的存储单元来保存全部或部分var3。所以问题是var3是否跨越两个字节，或者它是否有自己的字节：

+----- var1 -----+---------- var2 ------------+- var3 -+
|                |                            |        |        span
+----------------+----------------------------+----+--------+
|                |                                 |        |
+----------------+----------------------------+----+--------+
|                |                            |    |        |   no span                               
+----- var1 -----+---------- var2 ------------+    +- var3 -+

由实现决定使用哪种方法。鉴于 var3 到 var6 都是 8 位，我希望实现分配另一个 4 字节存储单元并将所有四个成员映射到它，在 var2 和 @ 之间留下 4 位间隙987654336@。所以是的，生成的struct 类型占用的字节数超过了所建议的位总和。