Question

我试图解释C11 standard，涉及未明确初始化的联合的静态（和线程局部）初始化。

第6.7.9 10节（第139页）规定：

如果未自动初始化具有自动存储期限的对象，则其值不确定。如果未明确初始化具有静态或线程存储持续时间的对象，则：

-如果具有指针类型，则将其初始化为空指针；

-如果具有算术类型，则将其初始化为（正数或无符号）零；

-如果是集合，则根据这些规则初始化（递归）每个成员，并将任何填充初始化为零位；

-如果是联合，则将根据这些规则（递归地）初始化第一个命名成员，并将任何填充初始化为零位；

假设我们使用的是amd64架构，则给出以下声明：

static union { uint32_t x; uint16_t y[3]; } u;

u.y[2]可以包含非零值还是因为被视为填充而将其初始化为零？

我已经仔细检查过C11标准，但是对于什么是联合中的填充几乎没有解释。在C99 standard (pg 126)中未提及填充，因此在这种情况下，u.y[2]可以为非零。

Answer 1

y未使用的x使用的多余空间被 not 视为填充。 C11 standard中有关“结构和联合说明符”的第6.7.2.1p17节规定：

结构或联合的末尾可能存在未命名的填充

您的示例中y所使用的x未使用的字节仍然被命名，因此不会被填充。

您的示例很可能确实具有此未命名的填充，因为最大的成员占用6个字节，但是成员之一是uint32_t，通常需要4个字节对齐。实际上，在gcc 4.8.5上，此联合的大小为8个字节。因此，该联合的内存布局如下所示：

            -----  --|       ---|
         0  | 0 |    |          |
            -----    |          |-- y[0]
         1  | 0 |    |          |
            -----    |-- x   ---|
         2  | 0 |    |          |            
            -----    |          |-- y[1]
         3  | 0 |    |          |
            -----  --|       ---|
         4  | 0 |               |
            -----               |-- y[2]
         5  | 0 |               |
            -----            ---|
         6  | 0 |  -- padding
            -----
         7  | 0 |  -- padding
            -----

因此，请严格阅读标准，以获取没有显式初始化程序的该联合的静态实例：

对应于x（即第一个命名成员）的字节0-3被初始化为0，导致x为0。
与y [2]对应的字节4-5保持未初始化，并具有不确定值。
与填充相对应的字节6-7初始化为0。

我在gcc 4.8.5，clang 3.3和MSVC 2015上对此进行了测试，并且它们在各种优化设置下都将 all 字节设置为0。但是，严格地阅读标准并不能保证其行为，因此这些编译器的不同优化设置，它们的不同版本或完全不同的编译器仍然可能会有所不同。

从务实的角度来看，对于编译器而言，将静态对象的所有字节简单地设置为0以满足此要求是有意义的。当然，这是假设没有整数类型具有填充，浮点类型是IEEE754，而NULL指针的数值为0。在大多数人可能会遇到的大多数系统上，都是这种情况。并非如此的系统可能会将这些字节设置为非0的值。因此，再次将这些字节可能设置为0时，并不能保证。

要记住的重要一点是，根据6.7.2.1p16，工会一次只能存储一个成员：

工会的规模足以容纳其最大的成员。 at的值大多数成员可以随时存储在联合对象中。 经过适当转换的并集对象指向其每个成员（或者，如果某个成员有点位，字段，然后转到其所在的单元），反之亦然。

因此，如果具有静态存储期限的union未初始化，则仅安全访问 first 成员，因为该成员是隐式初始化的。

唯一的例外是，如果联合包含具有一组公共初始成员的结构，则在这种情况下，您可以访问内部结构的任何公共元素。第6.5.2.3p6节对此进行了详细说明：

为了简化联合的使用，做出了一个特殊保证：如果联合包含具有共同初始序列的几个结构（请参见下文），以及对象当前包含这些结构之一，因此可以检查通用对象声明联合完成类型的任何地方的初始部分是可见的。两个结构共享一个共同的初始序列如果有相应成员具有一个或多个序列的兼容类型（对于位字段，具有相同的宽度）初始成员。

Answer 2

Can u.y[2] contain non-zero values or is it initialised to zero because it is regarded as padding?

u.y[2]不被视为填充。它是数组y的元素，是数组u的成员。

工会的大小只能容纳其最大的会员（为alignment的目的，也可以添加未命名的尾随填充）。

来自C标准＃6.7.2.1p17

17在结构或联合的末尾可能存在未命名的填充。

联合体u的最大成员是uint16_t y[3];。因此，如果联合u中有任何填充，那么它将在uint16_t y[3];成员^1）之后。

根据C11标准，具有静态或线程存储持续时间且未显式初始化的联合对象，编译器应（递归地）初始化第一个命名成员，并将其填充为零位。因此，您不应该对u.y[2]的值做任何假设，因为编译器将只初始化union ^2）的第一个命名成员，即uint32_t x在您的示例中，以及填充到零位的所有内容（＃6.7.9p10）。

C标准未提及有关数据段（已初始化/未初始化），堆栈，堆等的任何内容。这些都是特定于体系结构/平台的。对于对象初始化，C标准仅指定要初始化为0的内容，不指定要初始化的内容，并且不指定哪个存储持续时间对象进入哪个段。 Standard规范是针对编译器的，并且期望遵循良好的编译器。通常，0初始化的静态数据进入.BSS（以符号开头的块），非0初始化的数据进入.DATA（数据段）。因此，您可能会发现u.y[2]的值0，但并非总是如此。

1）每个现代的编译器都会根据体系结构自动使用数据结构填充。一些编译器甚至支持警告标志-Wpadded，该标志会生成有关结构填充的有用警告。这些警告可帮助程序员进行手动维护，以防需要更有效的数据结构布局。

-Wpapped

警告填充是否包含在结构中，以对齐结构的元素或对齐整个结构。有时，当发生这种情况时，可以重新排列结构的字段以减少填充，从而使结构变小。

因此，如果您的编译器支持警告标记-Wpadded，请尝试使用它来编译代码。这将帮助您了解编译器随附的填充。

例如

#include <inttypes.h>

int main() {
        static union { uint32_t x; uint16_t y[3]; } u;
}

可以使用-Wpadded选项进行编译。我的编译器是clang版clang-1000.10.44.4

# clang -Wpadded p.c

p.c:4:16: warning: padding size of 'union (anonymous at p.c:4:16)' with 2 bytes to alignment boundary [-Wpadded]
        static union { uint32_t x; uint16_t y[3]; } u;
               ^
1 warning generated.

2）要注意的一点-如果您显式初始化并集对象，除非它是指定的初始化，否则也将初始化并集的第一个成员（C11标准＃6.7.9p17）。

Answer 3

如果存储是自动的，由于未初始化，它可能包含任何值。如果存储是静态的，它将初始化为零。

填充不影响您的联合，因为它不属于结构或联合的任何成员。

例如，如果在您的实现中将数据填充到8个字节的边界，则根本不会添加填充。此联合与下一个对象之间将有2个字节的间隙。

工会中的填充物是什么？

3 个答案: