Question

首先，这是ISO C标准关于位字段的内容，引用了2011 ISO C标准的N1570草案，第6.7.2.1节：

位字段应具有合格或不合格的类型版本_Bool，signed int，unsigned int或其他实现定义的类型。它是实现定义的允许原子类型。

...

位字段被解释为具有有符号或无符号整数类型   由指定的位数组成。如果值为0或1   存储在_Bool类型的非零宽度位域中，值为   比特字段的比较等于存储的值;一个_Bool   位字段具有_Bool的语义。

实现可以分配任何可寻址的存储单元   足以容纳一个位域。如果剩余足够的空间，那就是一个位域   紧接着结构中的另一个位字段应该被打包   进入同一单元的相邻位。如果剩余空间不足，   是否将不适合的位域放入下一个单元或   重叠相邻单元是实现定义的。的顺序   单位内的位域分配（高位到低位或   低阶到高阶）是实现定义的。对齐   可寻址存储单元未指定。

对于任何struct类型，类型的对齐方式至少是该类型的任何成员的最大对齐方式，并且任何类型的大小都是其对齐方式的倍数。例如，如果结构包含（非位域）int成员，并且int需要4字节对齐，则结构本身需要4字节对齐或更多。

许多编译器允许除_Bool和int类型以外的整数类型的位字段。

对于至少一些编译器，包含位字段的struct的对齐至少是位字段的声明类型的对齐。例如，对于x86_64上的gcc 4.7.2，给定：

struct sb {
    _Bool bf:1;
};
struct si {
    unsigned bf:1;
};

gcc给出struct sb一个大小和1个字节的对齐（_Bool的大小和对齐），struct si大小和4个字节的对齐（这是大小） int）的对齐方式。它对实现定义类型的位字段做了同样的事情;定义为long long bf:1;的位字段强制为封闭结构的8字节大小和对齐。即使在两种情况下，位字段bf都是宽度仅为1位的对象，也可以完成此操作。

我在SPARC / Solaris 9上看到了Sun编译器的类似行为。

实验表明，定义为_Bool或unsigned的多个位字段可以打包到单个字节内的相邻位中（实际上是必需的），因此位字段本身没有严格对齐要求。

据我所知，struct成员的布局主要是实现定义的，我不相信gcc的行为违反了C标准。

所以我的问题（终于！）是，为什么gcc（以及至少一个不相关的C编译器，可能还有更多）这样做？ gcc的作者是否认为声明的位字段类型必须影响包含结构的大小和对齐？它们在这个假设中是否正确？我错过了C标准本身的要求吗？

这是展示行为的测试程序。如果您想在系统上运行它，您可能需要注释掉它的一部分，如果您使用的是不支持某些较新功能的旧编译器，或者不允许某些类型的位领域。我有兴趣知道不的编译器是否像gcc一样。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
#include <stdint.h>
int main(void) {
    struct sb  { _Bool    bf:1; };
    struct s8  { uint8_t  bf:1; };
    struct s16 { uint16_t bf:1; };
    struct s32 { uint32_t bf:1; };
    struct s64 { uint64_t bf:1; };
    printf("sizeof (struct sb)  = %2zu (%2zu bits)\n",
           sizeof (struct sb),
           sizeof (struct sb)  * CHAR_BIT);
    printf("sizeof (struct s8)  = %2zu (%2zu bits)\n",
           sizeof (struct s8),
           sizeof (struct s8)  * CHAR_BIT);
    printf("sizeof (struct s16) = %2zu (%2zu bits)\n",
           sizeof (struct s16),
           sizeof (struct s16) * CHAR_BIT);
    printf("sizeof (struct s32) = %2zu (%2zu bits)\n",
           sizeof (struct s32),
           sizeof (struct s32) * CHAR_BIT);
    printf("sizeof (struct s64) = %2zu (%2zu bits)\n",
           sizeof (struct s64),
           sizeof (struct s64) * CHAR_BIT);
    return 0;
}

这是我在我的系统上得到的输出：

sizeof (struct sb)  =  1 ( 8 bits)
sizeof (struct s8)  =  1 ( 8 bits)
sizeof (struct s16) =  2 (16 bits)
sizeof (struct s32) =  4 (32 bits)
sizeof (struct s64) =  8 (64 bits)

Answer 1

在某种程度上，您已使用标准中的引文自行回答了问题：

未指定可寻址存储单元的对齐方式。

编译器可以选择任何对齐并遵守C标准，但这不是全部。

为了使用不同编译器编译的代码进行互操作，平台ABI必须指定这些细节。例如，Linux x86使用的SYS-V i386 ABI表示：

位字段遵循相同的大小   和对齐规则作为其他结构和联合成员，具有以下内容   补充：[...]


位字段必须完全驻留在适合其声明的存储单元中   类型。

然后，无论宽度如何，long位域必须驻留在4字节边界上对齐的位置。

为什么位字段的类型会影响包含结构的大小？

1 个答案: