究竟什么是“位填充”或“填充位”？

Question

我不想用这个来骚扰你，但我在互联网上的任何地方都找不到关于“位填充”真正是什么的详细解释，也没有任何关于位填充相关线程的答案在 StackOverflow 上。

我还搜索了 ISO 9899-1990，其中提到了“位填充”，但由于我需要它而没有解释。

我在网上找到的唯一关于此的内容是here，其中只对一句话给出了一个荒谬的简短解释，说：

位填充：

位填充是向传输或存储单元添加一个或多个额外位，以使其符合标准大小。

一些来源将位填充识别为bit stuffing 的一种类型。

这至少是某种信息，但对我来说还不够解释。我不太明白这到底是什么意思。它也提到了这个词 "bit stuffing".

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当我在 StockOverflow 上查看“padding”的相关标签时，填充被描述为：

在内存结构中插入额外空间以实现地址对齐 - 或 - 框架和 HTML 元素内容之间的额外空间 - 或 - 使用格式化打印命令（如 C 中的 printf）打印值时的额外空格或零*-函数族。

背景：

我经常发现与数据类型相关的术语“位填充”，但不明白它是什么，也不明白它对这些数据的作用。

非常感谢您提供任何基于主题的回答。

Answer 1

我经常发现与数据类型有关的术语“位填充”，但不明白它是什么，也不明白它对这些数据的作用。

它的要点是它们是“浪费”的空间。我说“浪费”是因为虽然填充位会使对象更大，但它可以使处理对象更容易（这意味着更快），并且小的空间浪费可以产生巨大的性能提升。在某些情况下，这是必不可少的，因为 CPU 无法处理这种大小的对象。

假设你有一个类似的结构（所有数字只是一个例子，不同的平台可以有不同的值）：

struct foo
{
    short a; // 16 bits
    char  b; // 8 bits 
};

您正在使用的机器在一次读取操作中读取 32 位数据。读取单个 foo 不是问题，因为整个对象都适合该 32 位块。真正成为问题的是当你有一个数组时。关于数组要记住的重要一点是它们是连续的，元素之间没有空格。它只是一个对象紧接着另一个对象。所以，如果你有一个像

这样的数组

foo array[10]{};

这样，第一个 foo 对象位于 32 位存储桶中。数组的下一个元素将在第一个 32 位存储桶和第二个 32 位存储桶中。这意味着成员 a 位于两个单独的存储桶中。一些处理器可以做到这一点（需要付出代价），如果你尝试这样做，其他处理器就会崩溃。为了解决这两个问题，编译器将在foo 的末尾添加填充位以填充它的大小。这意味着 foo 实际上变成了

struct foo
{
    short a; // 16 bits
    char  b; // 8 bits 
    char  _; // 8 bits of padding
};

现在处理器可以很容易地自己处理foo 对象或在数组中。它不需要做任何额外的工作，每个对象只添加了 8 位。您需要很多对象才能开始在现代机器上发挥作用。

由于未对齐的访问，有时您需要在类型的成员之间进行填充。假设你有

struct bar
{
    char c; // 8 bits
    int  d; // 32 bits
};

现在bar 是 40 位宽，d 更多时候不会再次存储在两个不同的桶中。为了解决这个问题，编译器在c 和d 之间添加了填充位

struct bar
{
    char    c; // 8 bits
    char _[3]; // 24 bits
    int     d; // 32 bits
};

现在d 保证进入单个 32 位存储桶。

Answer 2

位填充可用于多种上下文。两个常见的例子是网络和加密。我相信加密上下文更相关。

填充用于加密，使解密具有共同部分的消息变得更加困难。如果已知多条消息具有相同的前缀（例如，“hello”），则更容易破解密钥。通过使用可变长度的位字段“填充”消息，更难破解密钥。

据说英国情报部门能够加快对 Enigma 信息的分析速度，因为德国人以相同的标题开始他们的信息。

如需更多技术性、准确的描述：https://en.wikipedia.org/wiki/Padding_(cryptography) 查找有关分组密码和位填充的部分

Answer 3

假设您有一个 8 位数字，它是 uint8_t，其值设置为 4。这可能会存储为a = 0000 0100。现在，假设您希望将其转换为 16 位数字。会发生什么？您必须为此数字中的“新”位分配一些值。你会如何分配他们？您不能随机分配零或一，原始变量的值会发生变化。根据架构等，您必须用额外的位填充值。在我的情况下，这意味着在原始 MSB（最高有效位）前面添加了额外的八个额外零，使我们的编号为 a = 0000 0000 0000 0100。

值仍然是 4，但现在您可以分配 [0, 2^16) 范围内的任何内容，而不是 [0, 2^8) 范围。

Answer 4

位填充：
位填充是向传输或存储单元添加一个或多个额外位，以使其符合标准大小。

由于您发布的定义已经正确，我将尝试举例说明：

假设您必须存储占用少于 32 位但您有 4 字节插槽的数据。通过访问每个插槽更容易访问该数据，因此您只需完成所有 32 位。完成“给定空间”所需但不属于数据一部分的额外位符合位填充。

我相信在多种情况下可能会有更好的例子。任何人都可以随意编辑和/或通过新的改进或示例来完善答案。

希望这会有所帮助！