防止 GCC 重新排序结构联合中的位域答案

【问题标题】：Prevent GCC from reordering bitfields in unions of structs防止 GCC 重新排序结构联合中的位域
【发布时间】：2019-08-07 11:01:00
【问题描述】：

有一段代码如下：

typedef union
{
    struct bits
    {
        uint32_t bit0 : 1;
        uint32_t bit1 : 1;
        uint32_t bit2 : 1;
        ...
        ...
        uint32_t bit14 : 1;
    }

    uint32_t value;

} MyUnion;

防止编译器对位域重新排序很重要，否则value 的值将根据平台甚至编译二进制文件的大小而变化。

有没有办法告诉编译器“不要重新排序这些字段”？

将MyUnion 类型的变量声明为volatile 会实现此目的吗？

如果union 是packed 和aligned(4)，如果您100% 确定您将始终使用32 位平台，是否可以确保位域不会被重新排序, 具有相同的字节顺序？

编辑

是否可以仅针对一种特定的编译器完成上述操作？也就是说，如果不需要跨不同编译器兼容的话。

【问题讨论】：

没有什么能阻止value即使没有重新排序也能改变。
简短的回答是：不，没有。
是的，这是不可能的。但是，如果您总是使用具有相同字节顺序的 32 位平台，则位顺序不应该改变。我找到了一篇关于位域的好文章jkz.wtf/bit-field-packing-in-gcc-and-clang
如果您需要强制位的确切顺序和排列，位域不是适合这项工作的工具。你可以花时间修修补补，你可以尝试使用各种编译器扩展，但最终你仍然不确定并且没有保证，而且（在我看来）这将比它的价值更麻烦。相反，如果您需要强制位的确切顺序和排列，只需硬着头皮使用unsigned int 以及一些显式的屏蔽和移位技术。位域很诱人，但pyrite 也是如此。
@Dan 包含的union 对包含的struct 中的位域顺序没有任何影响。位域在其底层存储单元中分配的方向（在您的情况下为uint32_t）是实现定义的。

标签： c++ c gcc compiler-optimization bit-fields

【解决方案1】：

我认为 cmets 已经给出了总体“否”的答案。有了这个答案，我想解决你关于volatile的问题：

将MyUnion 声明为volatile 会实现此目的吗？

volatile 关键字不会改变您在此处寻找的任何行为。此外，您不能将联合声明为volatile。它是一个关键字，是变量声明的限定符。它告诉编译器变量值可以随时更改，因此应该始终重新加载该值（如从内存中重新读取），而不是根据编译器看到的先前语句假定该值。这用于当变量值可能因外部因素而改变时，例如在声明与真实物理值（例如微控制器中的寄存器）相关联的变量时。

【讨论】：

can't declare a union as volatile - 这是什么意思？具有 union 类型的变量可以是 volatile。 typedef 可以是 union 和 volatile。我想你会惊讶于你可以包含volatile 和前任。 const 在 typedef 中，例如 typedef union { int a; } volatile MyUnion;。
是的，你是对的，类型声明（在本例中为 union）当然不能是 volatile 的。但我指的是MyUnion 类型的变量（我写错了），而不是union 本身。现在它已经修复了。
联合可以声明为 volatile。 typedef union foo { int x; float y; } Foo; typedef volatile Foo VolatileFoo; 是有效的 C 代码，将 VolatileFoo 定义为 volatile 联合类型。此外，在这些语句之后，Foo Convert(VolatileFoo *x) { return x; } 产生一个类型不兼容的编译器消息，表明编译器知道x 指向一个可变联合，而不仅仅是一个联合，从而证明volatile 是@ 类型的一部分987654338@.