C中位字段和并集的大小

Question

我有以下代码：

#pragma pack(push, 1)
typedef struct __attribute__((packed)){
    uint64_t msg: 48;
    uint16_t crc: 12;
    int : 0;
} data_s;
#pragma pack(pop)

typedef union {
    uint64_t tot;
    data_s split;
} data_t;

int main() {
    data_t data;
    printf(
        "Sizes are: union:%d,struct:%d,uint64_t:%d\n",
        sizeof(data),
        sizeof(data.split),
        sizeof(data.tot)
    );
    return 0;
}

我得到的输出是Sizes are: union:16,struct:10,uint64_t:8 。

这里有两个问题，

1. 即使我正在使用位字段并尝试对其进行打包，即使位数少于64（48 + 12 = 60）并且可以打包成8个字节，我也得到了10个字节。

2. 即使工会的两个成员的最大大小为10，为什么它的大小也为16？

另外，如何将这些位打包为8个字节？

Answer 1

这是实现定义 ; 位的布局方式取决于您的编译器。

如果它们是不同的类型，许多编译器会拆分位域。 您可以尝试将crc类型更改为uint64_t以查看是否uint64_t 。

如果您想编写可移植的代码并且布局很重要，那么根本不要使用位域。

Answer 2

您正在分配一个整数类型，然后告诉您要使用多少位。

然后，您分配另一个整数类型并告诉您要使用多少位。

编译器将它们放在各自的积分中。 要将它们放在单个整数字段中，请使用逗号分隔它们，例如：

uint64_t msg: 48, crc: 12;

（但请注意user694733提到的实现定义的方面）

Answer 3

这些是位字段。 它们很少被标准化覆盖。 如果您使用它们-您是一个人。

• #pragma pack(push, 1) typedef struct __attribute__((packed)){
  这些是gcc编译器的非标准编译器扩展。 添加它们时发生的情况没有任何标准涵盖。 该标准唯一说的是，如果编译器无法识别#pragma ，则必须忽略该行。
• C标准仅保证_Bool ， unsigned int和signed int类型对位字段有效。 您使用uint64_t和uint16_t 。 C标准未涵盖您执行操作时会发生的情况-这是实现定义的行为。 该标准表示“单位”，但未指定“单位”的大小。
• msg: 48; C标准没有指定这是最低有效的48位还是最高有效的位。 它没有指定分配顺序，也没有指定对齐方式。 最重要的是，添加字节序，您可能真的不知道这段代码的作用。
  所有C标准保证是msg驻留在比尾随struct成员更低的地址上。 除非将它们合并到相同的位域中，否则该标准将无法保证。 完全由实现定义。
• int : 0; 在位字段的末尾添加是没有用的，此代码的唯一目的是使编译器不要将任何尾随的位字段合并为前一个。
• 据我所知， #pragma pack和类似文件不保证struct / union末尾没有尾随填充。
• 众所周知，gcc与位域一起表现出奇怪的现象。 它与曾经编写的每个C编译器都有共同点。

因此，您的问题的答案可以归纳为：因为位域。

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这样的替代方法将是100％确定性的，定义明确的便携式且安全的：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

typedef uint64_t data_t;

static inline uint64_t msg (data_t* data)
{
  return *data >> 12;
}

static inline uint64_t crc (data_t* data)
{
  return *data & 0xFFFu;
}

int main() {
    data_t data = 0xFFFFFAAAu;

    printf("msg: %"PRIX64" crc:%"PRIX64, msg(&data), crc(&data));
    return 0;
}

这甚至可以跨不同端号的CPU移植。

Answer 4

对于您的问题2：工会始终会占用其最大成员所需要的空间。 在这里，它认为结构拆分的大小为10，然后在编译以对齐内存时（建议使用）可能具有优化标志（建议使用），使其为2的幂（从10到16）。

Answer 5

1. 即使我正在使用位字段并尝试对其进行打包，即使位数少于64（48 + 12 = 60）并且可以打包成8个字节，我也得到了10个字节。

首先请注意， #pragma pack与大多数#pragma一样，是具有实现定义的行为的扩展。 C语言确实定义了其行为。

其次，C在实现如何布置结构内容（尤其是位域）方面为实现提供了相当大的自由度。 实际上，假设uint64_t与实现中的unsigned int是不同的类型，那么您是否甚至可以首先拥有前一种类型的位域是实现定义的。

但是，C不会使其完全打开。 这是结构中位域布局的规范的关键部分：

一个实现可以分配任何足够大的可寻址存储单元以容纳一个位字段。 如果有足够的空间，则应将紧随结构中另一个位域之后的位域打包到同一单元的相邻位中。 如果剩余空间不足，则将实现不适当的位字段放入下一个单元还是与相邻单元重叠。 单位内的位域分配顺序（从高位到低位或从低位到高位）由实现定义。 未指定可寻址存储单元的对齐方式。

（ C2011，6.7.2.1/11 ;重点添加）

值得注意的是，C 并没有说位域成员的声明类型与存储其位的可寻址存储单元的大小有关（无论在那里还是在其他任何地方），尽管实际上某些编译器确实实现了这种行为。 。 另一方面，它的确使我期望，如果C首先接受一个48位的位域，那么紧随其后的12位的位域应存储在同一单元中。 实施定义的包装规格甚至都没有输入图片。 因此，您的实施在这方面似乎不合格。

2. 即使工会的两个成员的最大大小为10，为什么它的大小也为16？

联合可以像结构一样具有尾随填充。 填充将被引入到联合的布局中，以支持编译器针对该类型的对象及其成员的最佳对齐方式。 特别是，您的结构可能至少有8个字节的对齐要求，因此将并集填充为该对齐要求的倍数的大小。 这也是实现定义的，只要我们在那里，就可以通过指示编译器打包并集来避免填充。

另外，如何将这些位打包为8个字节？

可能是您做不到，但是您应该检查编译器的文档。 由于观察到的行为似乎不合格，因此任何人都可以猜测您可以或必须做什么。

但是，如果是我，我要做的第一件事就是删除编译指示和属性。 删除零长度位域，并更改crc位域的声明类型，使其与先前位域（ uint64_t ）的类型匹配。 所有这些的目的是清除可能使编译器产生混淆的细节，以便尝试使其表现出标准最初要求的行为。 如果您可以使struct以8字节的形式出现，那么您可能无需执行任何其他操作即可使联合产生相同的大小（因为8是一个有点神奇的数字）。