当int64_t更改为int32_t时，为什么类大小会增加

Question

在我的第一个例子中，我有两个使用int64_t位域。 当我编译并获得类的大小时，我得到8。

class Test
{
    int64_t first : 40;
    int64_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test); // 8
}

但是当我将第二个bitfeild更改为int32_t时，类的大小加倍为16：

class Test
{
    int64_t first : 40;
    int32_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test); // 16
}

这种情况发生在GCC 5.3.0和MSVC 2015上。但为什么呢？

Answer 1

在你的第一个例子中

int64_t first : 40;
int64_t second : 24;

first和second使用单个64位整数的64位。 这会导致类的大小为单个64位整数。 在你的第二个例子中

int64_t first : 40;
int32_t second : 24;

这是两个独立的位字段存储在两个不同的内存块中。 您使用64位整数的40位，然后使用24位另一个32位整数。 这意味着您至少需要12个字节（此示例使用8位字节）。 很可能你看到的额外4个字节是填充以在64位边界上对齐类。

正如其他答案和评论所指出的那样，这是实现定义的行为，您可以/将在不同的实现上看到不同的结果。

Answer 2

C标准的位域规则不够精确，无法告诉程序员任何有关布局的有用信息，但仍然拒绝实现本来可能有用的自由。

特别是，需要将位域存储在具有所指示类型的对象或其签名/无符号等效物中。 在第一个示例中，第一个位域必须存储在int64_t或uint64_t对象中，第二个位域同样存在，但是它们有足够的空间容纳在同一个对象中。 在第二个示例中，第一个位域必须存储在int64_t或uint64_t中，第二个位域必须存储在int32_t或uint32_t中。 uint64_t将有24位，即使在结构的末尾添加了额外的位字段，它也将被“搁浅”; uint32_t有8位，目前没有使用，但是可以使用另一个宽度小于8的int32_t或uint32_t位域添加到该类型中。

恕我直言，该标准抨击了给编译器自由与给程序员有用信息/控制之间最糟糕的可能平衡，但它就是这样。 我个人认为，如果首选语法允许程序员根据普通对象精确指定其布局（例如，位域“foo”应存储在3位，从第4位（值16开始），字段“），那么位域将更有用。 foo_bar“）但我知道没有计划在标准中定义这样的东西。

Answer 3

添加其他人已经说过的内容：

如果要检查它，可以使用编译器选项或外部程序来输出结构布局。

考虑这个文件：

// test.cpp
#include <cstdint>

class Test_1 {
    int64_t first  : 40;
    int64_t second : 24;
};

class Test_2 {
    int64_t first  : 40;
    int32_t second : 24;
};

// Dummy instances to force Clang to output layout.
Test_1 t1;
Test_2 t2;

如果我们使用布局输出标志，例如Visual Studio的/d1reportSingleClassLayoutX （其中X是类或结构名称的全部或部分）或Clang ++的-Xclang -fdump-record-layouts （其中-Xclang告诉编译器解释-fdump-record-layouts作为Clang前端命令而不是GCC前端命令），我们可以将Test_1和Test_2的内存布局转储到标准输出。 [不幸的是，我不确定如何直接与GCC这样做。]

如果我们这样做，编译器将输出以下布局：

• 视觉工作室：

cl /c /d1reportSingleClassLayoutTest test.cpp

// Output:
tst.cpp
class Test_1    size(8):
    +---
 0. | first (bitstart=0,nbits=40)
 0. | second (bitstart=40,nbits=24)
    +---



class Test_2    size(16):
    +---
 0. | first (bitstart=0,nbits=40)
 8. | second (bitstart=0,nbits=24)
    | <alignment member> (size=4)
    +---

• 铛：

clang++ -c -std=c++11 -Xclang -fdump-record-layouts test.cpp

// Output:
*** Dumping AST Record Layout
   0 | class Test_1
   0 |   int64_t first
   5 |   int64_t second
     | [sizeof=8, dsize=8, align=8
     |  nvsize=8, nvalign=8]

*** Dumping IRgen Record Layout
Record: CXXRecordDecl 0x344dfa8 <source_file.cpp:3:1, line:6:1> line:3:7 referenced class Test_1 definition
|-CXXRecordDecl 0x344e0c0 <col:1, col:7> col:7 implicit class Test_1
|-FieldDecl 0x344e1a0 <line:4:2, col:19> col:10 first 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e170 <col:19> 'int' 40
|-FieldDecl 0x344e218 <line:5:2, col:19> col:10 second 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e1e8 <col:19> 'int' 24
|-CXXConstructorDecl 0x3490d88 <line:3:7> col:7 implicit used Test_1 'void (void) noexcept' inline
| `-CompoundStmt 0x34912b0 <col:7>
|-CXXConstructorDecl 0x3490ee8 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_1 'void (const class Test_1 &)' inline noexcept-unevaluated 0x3490ee8
| `-ParmVarDecl 0x3491030 <col:7> col:7 'const class Test_1 &'
`-CXXConstructorDecl 0x34910c8 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_1 'void (class Test_1 &&)' inline noexcept-unevaluated 0x34910c8
  `-ParmVarDecl 0x3491210 <col:7> col:7 'class Test_1 &&'

Layout: <CGRecordLayout
  LLVMType:%class.Test_1 = type { i64 }
  NonVirtualBaseLLVMType:%class.Test_1 = type { i64 }
  IsZeroInitializable:1
  BitFields:[
    <CGBitFieldInfo Offset:0 Size:40 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
    <CGBitFieldInfo Offset:40 Size:24 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
]>

*** Dumping AST Record Layout
   0 | class Test_2
   0 |   int64_t first
   5 |   int32_t second
     | [sizeof=8, dsize=8, align=8
     |  nvsize=8, nvalign=8]

*** Dumping IRgen Record Layout
Record: CXXRecordDecl 0x344e260 <source_file.cpp:8:1, line:11:1> line:8:7 referenced class Test_2 definition
|-CXXRecordDecl 0x344e370 <col:1, col:7> col:7 implicit class Test_2
|-FieldDecl 0x3490bd0 <line:9:2, col:19> col:10 first 'int64_t':'long'
| `-IntegerLiteral 0x344e400 <col:19> 'int' 40
|-FieldDecl 0x3490c70 <line:10:2, col:19> col:10 second 'int32_t':'int'
| `-IntegerLiteral 0x3490c40 <col:19> 'int' 24
|-CXXConstructorDecl 0x3491438 <line:8:7> col:7 implicit used Test_2 'void (void) noexcept' inline
| `-CompoundStmt 0x34918f8 <col:7>
|-CXXConstructorDecl 0x3491568 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_2 'void (const class Test_2 &)' inline noexcept-unevaluated 0x3491568
| `-ParmVarDecl 0x34916b0 <col:7> col:7 'const class Test_2 &'
`-CXXConstructorDecl 0x3491748 <col:7> col:7 implicit constexpr Test_2 'void (class Test_2 &&)' inline noexcept-unevaluated 0x3491748
  `-ParmVarDecl 0x3491890 <col:7> col:7 'class Test_2 &&'

Layout: <CGRecordLayout
  LLVMType:%class.Test_2 = type { i64 }
  NonVirtualBaseLLVMType:%class.Test_2 = type { i64 }
  IsZeroInitializable:1
  BitFields:[
    <CGBitFieldInfo Offset:0 Size:40 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
    <CGBitFieldInfo Offset:40 Size:24 IsSigned:1 StorageSize:64 StorageOffset:0>
]>

请注意，用于生成此输出的Clang I版本（ Rextester使用的版本 ）似乎默认将两个位域优化为单个变量，并且我不确定如何禁用此行为。

Answer 4

标准说：

§9.6位域

类对象中位域的分配是实现定义的。 位字段的对齐是实现定义的。 [ 注意：位字段跨越某些机器上的分配单元而不是其他机器上的分配单元。 在某些机器上从右到左分配位字段，在其他机器上从左到右分配。 - 结束说明 ]

c ++ 11论文

因此布局取决于编译器实现，编译标志，目标拱等。 刚查过几个编译器，输出大多是8 8 ：

#include <stdint.h>
#include <iostream>

class Test32
{
    int64_t first : 40;
    int32_t second : 24;
};

class Test64
{
    int64_t first : 40;
    int64_t second : 24;
};

int main()
{
    std::cout << sizeof(Test32) << " " << sizeof(Test64);
}