不同编译器中 C++ 和 C 之间无符号位域整数表达式的截断不一致
Inconsistent truncation of unsigned bitfield integer expressions between C++ and C in different compilers
编辑 2：
我在调试一个奇怪的测试失败时，以前驻留在 C++ 源文件中但逐字移动到 C 文件中的函数开始 return 不正确的结果。下面的 MVE 允许使用 GCC 重现该问题。然而，当我一时兴起，用 Clang（后来又用 VS）编译这个例子时，我得到了不同的结果！我不知道是将其视为其中一个编译器中的错误，还是 C 或 C++ 标准允许的未定义结果的表现形式。奇怪的是，none 的编译器给了我关于表达式的任何警告。
罪魁祸首是这个表达式：
ctl.b.p52 << 12;
在这里，p52被输入为uint64_t；它也是联合的一部分（请参阅下面的 control_t）。移位操作不会丢失任何数据，因为结果仍然适合 64 位。但是，如果我使用 C 编译器 ，GCC 决定将结果截断为 52 位 ！使用 C++ 编译器，结果的所有 64 位都被保留。
为了说明这一点，下面的示例程序编译了两个主体相同的函数，然后比较它们的结果。 c_behavior()放在C源文件中，cpp_behavior()放在C++文件中，main()进行比较。
带有示例代码的存储库：https://github.com/grigory-rechistov/c-cpp-bitfields
Header common.h 定义了 64 位宽位域和整数的联合，并声明了两个函数：
#ifndef COMMON_H
#define COMMON_H
#include <stdint.h>
typedef union control {
uint64_t q;
struct {
uint64_t a: 1;
uint64_t b: 1;
uint64_t c: 1;
uint64_t d: 1;
uint64_t e: 1;
uint64_t f: 1;
uint64_t g: 4;
uint64_t h: 1;
uint64_t i: 1;
uint64_t p52: 52;
} b;
} control_t;
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
uint64_t cpp_behavior(control_t ctl);
uint64_t c_behavior(control_t ctl);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif // COMMON_H
这些函数具有相同的主体，除了一个被视为 C 而另一个被视为 C++。
c-part.c:
#include <stdint.h>
#include "common.h"
uint64_t c_behavior(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
cpp-part.cpp:
#include <stdint.h>
#include "common.h"
uint64_t cpp_behavior(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
main.c:
#include <stdio.h>
#include "common.h"
int main() {
control_t ctl;
ctl.q = 0xfffffffd80236000ull;
uint64_t c_res = c_behavior(ctl);
uint64_t cpp_res = cpp_behavior(ctl);
const char *announce = c_res == cpp_res? "C == C++" : "OMG C != C++";
printf("%s\n", announce);
return c_res == cpp_res? 0: 1;
}
GCC 显示结果之间的差异 return:
$ gcc -Wpedantic main.c c-part.c cpp-part.cpp
$ ./a.exe
OMG C != C++
但是，对于 Clang，C 和 C++ 的行为与预期的一样：
$ clang -Wpedantic main.c c-part.c cpp-part.cpp
$ ./a.exe
C == C++
使用 Visual Studio 我得到与使用 Clang 相同的结果：
C:\Users\user\Documents>cl main.c c-part.c cpp-part.cpp
Microsoft (R) C/C++ Optimizing Compiler Version 19.00.24234.1 for x64
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.
main.c
c-part.c
Generating Code...
Compiling...
cpp-part.cpp
Generating Code...
Microsoft (R) Incremental Linker Version 14.00.24234.1
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.
/out:main.exe
main.obj
c-part.obj
cpp-part.obj
C:\Users\user\Documents>main.exe
C == C++
我尝试了 Windows 上的示例，尽管 GCC 的原始问题是在 Linux 上发现的。
这个问题似乎是 gcc 在 C 模式下的 32 位代码生成器所特有的：
可以使用Godbolt's Compiler Explorer
比较汇编代码
这里是这个测试的源代码：
#include <stdint.h>
typedef union control {
uint64_t q;
struct {
uint64_t a: 1;
uint64_t b: 1;
uint64_t c: 1;
uint64_t d: 1;
uint64_t e: 1;
uint64_t f: 1;
uint64_t g: 4;
uint64_t h: 1;
uint64_t i: 1;
uint64_t p52: 52;
} b;
} control_t;
uint64_t test(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
C模式下的输出（flags-xc -O2 -m32）
test:
push esi
push ebx
mov ebx, DWORD PTR [esp+16]
mov ecx, DWORD PTR [esp+12]
mov esi, ebx
shr ebx, 12
shr ecx, 12
sal esi, 20
mov edx, ebx
pop ebx
or esi, ecx
mov eax, esi
shld edx, esi, 12
pop esi
sal eax, 12
and edx, 1048575
ret
问题是最后一条指令 and edx, 1048575 剪切了 12 个最高有效位。
除了最后一条指令外，C++ 模式下的输出是相同的：
test(control):
push esi
push ebx
mov ebx, DWORD PTR [esp+16]
mov ecx, DWORD PTR [esp+12]
mov esi, ebx
shr ebx, 12
shr ecx, 12
sal esi, 20
mov edx, ebx
pop ebx
or esi, ecx
mov eax, esi
shld edx, esi, 12
pop esi
sal eax, 12
ret
64 位模式下的输出更简单和正确，但对于 C 和 C++ 编译器来说不同：
#C code:
test:
movabs rax, 4503599627366400
and rax, rdi
ret
# C++ code:
test(control):
mov rax, rdi
and rax, -4096
ret
您应该在 gcc 错误跟踪器上提交错误报告。
C 和 C++ 以不同方式处理位域成员的类型。
C 2018 6.7.2.1 10 说：
A bit-field is interpreted as having a signed or unsigned integer type consisting of the specified number of bits…
注意这不是具体的类型——它是某种整数类型——并且它没有说该类型是用于声明位域的类型，如 uint64_t a : 1; 所示这个问题。这显然让实现可以选择类型。
C++ 2017 draft n4659 12.2.4 [class.bit] 1 表示，位域声明：
… The bit-field attribute is not part of the type of the class member…
这意味着，在诸如 uint64_t a : 1; 的声明中，: 1 不是 class 成员 a 类型的一部分，因此类型是就好像它是 uint64_t a;，因此 a 的类型是 uint64_t.
因此，GCC 似乎将 C 中的位字段视为某种 32 位或更窄的整数类型（如果它适合），并将 C++ 中的位字段视为其声明的类型，这似乎并不违反标准。
Andrew Henle 建议严格解释 C 标准：位域的类型是具有指定宽度的有符号或无符号整数类型。
这是一个支持这种解释的测试：使用 C1x _Generic() 构造，我试图确定不同宽度的位域的类型。我必须用 long long int 类型定义它们以避免在使用 clang 编译时出现警告。
这是来源：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#define typeof(X) _Generic((X), \
long double: "long double", \
double: "double", \
float: "float", \
unsigned long long int: "unsigned long long int", \
long long int: "long long int", \
unsigned long int: "unsigned long int", \
long int: "long int", \
unsigned int: "unsigned int", \
int: "int", \
unsigned short: "unsigned short", \
short: "short", \
unsigned char: "unsigned char", \
signed char: "signed char", \
char: "char", \
_Bool: "_Bool", \
__int128_t: "__int128_t", \
__uint128_t: "__uint128_t", \
default: "other")
#define stype long long int
#define utype unsigned long long int
struct s {
stype s1 : 1;
stype s2 : 2;
stype s3 : 3;
stype s4 : 4;
stype s5 : 5;
stype s6 : 6;
stype s7 : 7;
stype s8 : 8;
stype s9 : 9;
stype s10 : 10;
stype s11 : 11;
stype s12 : 12;
stype s13 : 13;
stype s14 : 14;
stype s15 : 15;
stype s16 : 16;
stype s17 : 17;
stype s18 : 18;
stype s19 : 19;
stype s20 : 20;
stype s21 : 21;
stype s22 : 22;
stype s23 : 23;
stype s24 : 24;
stype s25 : 25;
stype s26 : 26;
stype s27 : 27;
stype s28 : 28;
stype s29 : 29;
stype s30 : 30;
stype s31 : 31;
stype s32 : 32;
stype s33 : 33;
stype s34 : 34;
stype s35 : 35;
stype s36 : 36;
stype s37 : 37;
stype s38 : 38;
stype s39 : 39;
stype s40 : 40;
stype s41 : 41;
stype s42 : 42;
stype s43 : 43;
stype s44 : 44;
stype s45 : 45;
stype s46 : 46;
stype s47 : 47;
stype s48 : 48;
stype s49 : 49;
stype s50 : 50;
stype s51 : 51;
stype s52 : 52;
stype s53 : 53;
stype s54 : 54;
stype s55 : 55;
stype s56 : 56;
stype s57 : 57;
stype s58 : 58;
stype s59 : 59;
stype s60 : 60;
stype s61 : 61;
stype s62 : 62;
stype s63 : 63;
stype s64 : 64;
utype u1 : 1;
utype u2 : 2;
utype u3 : 3;
utype u4 : 4;
utype u5 : 5;
utype u6 : 6;
utype u7 : 7;
utype u8 : 8;
utype u9 : 9;
utype u10 : 10;
utype u11 : 11;
utype u12 : 12;
utype u13 : 13;
utype u14 : 14;
utype u15 : 15;
utype u16 : 16;
utype u17 : 17;
utype u18 : 18;
utype u19 : 19;
utype u20 : 20;
utype u21 : 21;
utype u22 : 22;
utype u23 : 23;
utype u24 : 24;
utype u25 : 25;
utype u26 : 26;
utype u27 : 27;
utype u28 : 28;
utype u29 : 29;
utype u30 : 30;
utype u31 : 31;
utype u32 : 32;
utype u33 : 33;
utype u34 : 34;
utype u35 : 35;
utype u36 : 36;
utype u37 : 37;
utype u38 : 38;
utype u39 : 39;
utype u40 : 40;
utype u41 : 41;
utype u42 : 42;
utype u43 : 43;
utype u44 : 44;
utype u45 : 45;
utype u46 : 46;
utype u47 : 47;
utype u48 : 48;
utype u49 : 49;
utype u50 : 50;
utype u51 : 51;
utype u52 : 52;
utype u53 : 53;
utype u54 : 54;
utype u55 : 55;
utype u56 : 56;
utype u57 : 57;
utype u58 : 58;
utype u59 : 59;
utype u60 : 60;
utype u61 : 61;
utype u62 : 62;
utype u63 : 63;
utype u64 : 64;
} x;
int main(void) {
#define X(v) printf("typeof(" #v "): %s\n", typeof(v))
X(x.s1);
X(x.s2);
X(x.s3);
X(x.s4);
X(x.s5);
X(x.s6);
X(x.s7);
X(x.s8);
X(x.s9);
X(x.s10);
X(x.s11);
X(x.s12);
X(x.s13);
X(x.s14);
X(x.s15);
X(x.s16);
X(x.s17);
X(x.s18);
X(x.s19);
X(x.s20);
X(x.s21);
X(x.s22);
X(x.s23);
X(x.s24);
X(x.s25);
X(x.s26);
X(x.s27);
X(x.s28);
X(x.s29);
X(x.s30);
X(x.s31);
X(x.s32);
X(x.s33);
X(x.s34);
X(x.s35);
X(x.s36);
X(x.s37);
X(x.s38);
X(x.s39);
X(x.s40);
X(x.s41);
X(x.s42);
X(x.s43);
X(x.s44);
X(x.s45);
X(x.s46);
X(x.s47);
X(x.s48);
X(x.s49);
X(x.s50);
X(x.s51);
X(x.s52);
X(x.s53);
X(x.s54);
X(x.s55);
X(x.s56);
X(x.s57);
X(x.s58);
X(x.s59);
X(x.s60);
X(x.s61);
X(x.s62);
X(x.s63);
X(x.s64);
X(x.u1);
X(x.u2);
X(x.u3);
X(x.u4);
X(x.u5);
X(x.u6);
X(x.u7);
X(x.u8);
X(x.u9);
X(x.u10);
X(x.u11);
X(x.u12);
X(x.u13);
X(x.u14);
X(x.u15);
X(x.u16);
X(x.u17);
X(x.u18);
X(x.u19);
X(x.u20);
X(x.u21);
X(x.u22);
X(x.u23);
X(x.u24);
X(x.u25);
X(x.u26);
X(x.u27);
X(x.u28);
X(x.u29);
X(x.u30);
X(x.u31);
X(x.u32);
X(x.u33);
X(x.u34);
X(x.u35);
X(x.u36);
X(x.u37);
X(x.u38);
X(x.u39);
X(x.u40);
X(x.u41);
X(x.u42);
X(x.u43);
X(x.u44);
X(x.u45);
X(x.u46);
X(x.u47);
X(x.u48);
X(x.u49);
X(x.u50);
X(x.u51);
X(x.u52);
X(x.u53);
X(x.u54);
X(x.u55);
X(x.u56);
X(x.u57);
X(x.u58);
X(x.u59);
X(x.u60);
X(x.u61);
X(x.u62);
X(x.u63);
X(x.u64);
return 0;
}
这是使用 64 位 clang 编译的程序输出：
typeof(x.s1): long long int
typeof(x.s2): long long int
typeof(x.s3): long long int
typeof(x.s4): long long int
typeof(x.s5): long long int
typeof(x.s6): long long int
typeof(x.s7): long long int
typeof(x.s8): long long int
typeof(x.s9): long long int
typeof(x.s10): long long int
typeof(x.s11): long long int
typeof(x.s12): long long int
typeof(x.s13): long long int
typeof(x.s14): long long int
typeof(x.s15): long long int
typeof(x.s16): long long int
typeof(x.s17): long long int
typeof(x.s18): long long int
typeof(x.s19): long long int
typeof(x.s20): long long int
typeof(x.s21): long long int
typeof(x.s22): long long int
typeof(x.s23): long long int
typeof(x.s24): long long int
typeof(x.s25): long long int
typeof(x.s26): long long int
typeof(x.s27): long long int
typeof(x.s28): long long int
typeof(x.s29): long long int
typeof(x.s30): long long int
typeof(x.s31): long long int
typeof(x.s32): long long int
typeof(x.s33): long long int
typeof(x.s34): long long int
typeof(x.s35): long long int
typeof(x.s36): long long int
typeof(x.s37): long long int
typeof(x.s38): long long int
typeof(x.s39): long long int
typeof(x.s40): long long int
typeof(x.s41): long long int
typeof(x.s42): long long int
typeof(x.s43): long long int
typeof(x.s44): long long int
typeof(x.s45): long long int
typeof(x.s46): long long int
typeof(x.s47): long long int
typeof(x.s48): long long int
typeof(x.s49): long long int
typeof(x.s50): long long int
typeof(x.s51): long long int
typeof(x.s52): long long int
typeof(x.s53): long long int
typeof(x.s54): long long int
typeof(x.s55): long long int
typeof(x.s56): long long int
typeof(x.s57): long long int
typeof(x.s58): long long int
typeof(x.s59): long long int
typeof(x.s60): long long int
typeof(x.s61): long long int
typeof(x.s62): long long int
typeof(x.s63): long long int
typeof(x.s64): long long int
typeof(x.u1): unsigned long long int
typeof(x.u2): unsigned long long int
typeof(x.u3): unsigned long long int
typeof(x.u4): unsigned long long int
typeof(x.u5): unsigned long long int
typeof(x.u6): unsigned long long int
typeof(x.u7): unsigned long long int
typeof(x.u8): unsigned long long int
typeof(x.u9): unsigned long long int
typeof(x.u10): unsigned long long int
typeof(x.u11): unsigned long long int
typeof(x.u12): unsigned long long int
typeof(x.u13): unsigned long long int
typeof(x.u14): unsigned long long int
typeof(x.u15): unsigned long long int
typeof(x.u16): unsigned long long int
typeof(x.u17): unsigned long long int
typeof(x.u18): unsigned long long int
typeof(x.u19): unsigned long long int
typeof(x.u20): unsigned long long int
typeof(x.u21): unsigned long long int
typeof(x.u22): unsigned long long int
typeof(x.u23): unsigned long long int
typeof(x.u24): unsigned long long int
typeof(x.u25): unsigned long long int
typeof(x.u26): unsigned long long int
typeof(x.u27): unsigned long long int
typeof(x.u28): unsigned long long int
typeof(x.u29): unsigned long long int
typeof(x.u30): unsigned long long int
typeof(x.u31): unsigned long long int
typeof(x.u32): unsigned long long int
typeof(x.u33): unsigned long long int
typeof(x.u34): unsigned long long int
typeof(x.u35): unsigned long long int
typeof(x.u36): unsigned long long int
typeof(x.u37): unsigned long long int
typeof(x.u38): unsigned long long int
typeof(x.u39): unsigned long long int
typeof(x.u40): unsigned long long int
typeof(x.u41): unsigned long long int
typeof(x.u42): unsigned long long int
typeof(x.u43): unsigned long long int
typeof(x.u44): unsigned long long int
typeof(x.u45): unsigned long long int
typeof(x.u45): unsigned long long int
typeof(x.u46): unsigned long long int
typeof(x.u47): unsigned long long int
typeof(x.u48): unsigned long long int
typeof(x.u49): unsigned long long int
typeof(x.u50): unsigned long long int
typeof(x.u51): unsigned long long int
typeof(x.u52): unsigned long long int
typeof(x.u53): unsigned long long int
typeof(x.u54): unsigned long long int
typeof(x.u55): unsigned long long int
typeof(x.u56): unsigned long long int
typeof(x.u57): unsigned long long int
typeof(x.u58): unsigned long long int
typeof(x.u59): unsigned long long int
typeof(x.u60): unsigned long long int
typeof(x.u61): unsigned long long int
typeof(x.u62): unsigned long long int
typeof(x.u63): unsigned long long int
typeof(x.u64): unsigned long long int
所有位域似乎都具有定义的类型，而不是特定于定义宽度的类型。
这是使用 64 位 gcc 编译的程序输出：
typestr(x.s1): other
typestr(x.s2): other
typestr(x.s3): other
typestr(x.s4): other
typestr(x.s5): other
typestr(x.s6): other
typestr(x.s7): other
typestr(x.s8): signed char
typestr(x.s9): other
typestr(x.s10): other
typestr(x.s11): other
typestr(x.s12): other
typestr(x.s13): other
typestr(x.s14): other
typestr(x.s15): other
typestr(x.s16): short
typestr(x.s17): other
typestr(x.s18): other
typestr(x.s19): other
typestr(x.s20): other
typestr(x.s21): other
typestr(x.s22): other
typestr(x.s23): other
typestr(x.s24): other
typestr(x.s25): other
typestr(x.s26): other
typestr(x.s27): other
typestr(x.s28): other
typestr(x.s29): other
typestr(x.s30): other
typestr(x.s31): other
typestr(x.s32): int
typestr(x.s33): other
typestr(x.s34): other
typestr(x.s35): other
typestr(x.s36): other
typestr(x.s37): other
typestr(x.s38): other
typestr(x.s39): other
typestr(x.s40): other
typestr(x.s41): other
typestr(x.s42): other
typestr(x.s43): other
typestr(x.s44): other
typestr(x.s45): other
typestr(x.s46): other
typestr(x.s47): other
typestr(x.s48): other
typestr(x.s49): other
typestr(x.s50): other
typestr(x.s51): other
typestr(x.s52): other
typestr(x.s53): other
typestr(x.s54): other
typestr(x.s55): other
typestr(x.s56): other
typestr(x.s57): other
typestr(x.s58): other
typestr(x.s59): other
typestr(x.s60): other
typestr(x.s61): other
typestr(x.s62): other
typestr(x.s63): other
typestr(x.s64): long long int
typestr(x.u1): other
typestr(x.u2): other
typestr(x.u3): other
typestr(x.u4): other
typestr(x.u5): other
typestr(x.u6): other
typestr(x.u7): other
typestr(x.u8): unsigned char
typestr(x.u9): other
typestr(x.u10): other
typestr(x.u11): other
typestr(x.u12): other
typestr(x.u13): other
typestr(x.u14): other
typestr(x.u15): other
typestr(x.u16): unsigned short
typestr(x.u17): other
typestr(x.u18): other
typestr(x.u19): other
typestr(x.u20): other
typestr(x.u21): other
typestr(x.u22): other
typestr(x.u23): other
typestr(x.u24): other
typestr(x.u25): other
typestr(x.u26): other
typestr(x.u27): other
typestr(x.u28): other
typestr(x.u29): other
typestr(x.u30): other
typestr(x.u31): other
typestr(x.u32): unsigned int
typestr(x.u33): other
typestr(x.u34): other
typestr(x.u35): other
typestr(x.u36): other
typestr(x.u37): other
typestr(x.u38): other
typestr(x.u39): other
typestr(x.u40): other
typestr(x.u41): other
typestr(x.u42): other
typestr(x.u43): other
typestr(x.u44): other
typestr(x.u45): other
typestr(x.u46): other
typestr(x.u47): other
typestr(x.u48): other
typestr(x.u49): other
typestr(x.u50): other
typestr(x.u51): other
typestr(x.u52): other
typestr(x.u53): other
typestr(x.u54): other
typestr(x.u55): other
typestr(x.u56): other
typestr(x.u57): other
typestr(x.u58): other
typestr(x.u59): other
typestr(x.u60): other
typestr(x.u61): other
typestr(x.u62): other
typestr(x.u63): other
typestr(x.u64): unsigned long long int
这与具有不同类型的每个宽度一致。
表达式 E1 << E2 具有提升后的左操作数的类型，因此任何宽度小于 INT_WIDTH 的内容都会通过 整数提升[=45] 提升为 int =] 并且任何大于 INT_WIDTH 的宽度都被保留。如果此宽度大于 INT_WIDTH，则表达式的结果确实应该被截断为位字段的宽度。更准确地说，它应该为无符号类型截断，它可能是为有符号类型定义的实现。
如果 E1 或 E2 是宽度大于 int 的位域，则 E1 + E2 和其他算术运算符也会发生同样的情况。宽度较小的操作数转换为宽度较大的类型，结果也具有类型类型。这种非常违反直觉的行为导致了许多意想不到的结果，可能是人们普遍认为位域是伪造的，应该避免的原因。
许多编译器似乎不遵循 C 标准的这种解释，从当前的措辞来看这种解释也不明显。在 C 标准的未来版本中阐明涉及位域操作数的算术运算的语义将很有用。
编辑 2：
我在调试一个奇怪的测试失败时，以前驻留在 C++ 源文件中但逐字移动到 C 文件中的函数开始 return 不正确的结果。下面的 MVE 允许使用 GCC 重现该问题。然而，当我一时兴起，用 Clang（后来又用 VS）编译这个例子时，我得到了不同的结果！我不知道是将其视为其中一个编译器中的错误，还是 C 或 C++ 标准允许的未定义结果的表现形式。奇怪的是，none 的编译器给了我关于表达式的任何警告。
罪魁祸首是这个表达式：
ctl.b.p52 << 12;
在这里，p52被输入为uint64_t；它也是联合的一部分（请参阅下面的 control_t）。移位操作不会丢失任何数据，因为结果仍然适合 64 位。但是，如果我使用 C 编译器 ，GCC 决定将结果截断为 52 位 ！使用 C++ 编译器，结果的所有 64 位都被保留。
为了说明这一点，下面的示例程序编译了两个主体相同的函数，然后比较它们的结果。 c_behavior()放在C源文件中，cpp_behavior()放在C++文件中，main()进行比较。
带有示例代码的存储库：https://github.com/grigory-rechistov/c-cpp-bitfields
Header common.h 定义了 64 位宽位域和整数的联合，并声明了两个函数：
#ifndef COMMON_H
#define COMMON_H
#include <stdint.h>
typedef union control {
uint64_t q;
struct {
uint64_t a: 1;
uint64_t b: 1;
uint64_t c: 1;
uint64_t d: 1;
uint64_t e: 1;
uint64_t f: 1;
uint64_t g: 4;
uint64_t h: 1;
uint64_t i: 1;
uint64_t p52: 52;
} b;
} control_t;
#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif
uint64_t cpp_behavior(control_t ctl);
uint64_t c_behavior(control_t ctl);
#ifdef __cplusplus
}
#endif
#endif // COMMON_H
这些函数具有相同的主体，除了一个被视为 C 而另一个被视为 C++。
c-part.c:
#include <stdint.h>
#include "common.h"
uint64_t c_behavior(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
cpp-part.cpp:
#include <stdint.h>
#include "common.h"
uint64_t cpp_behavior(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
main.c:
#include <stdio.h>
#include "common.h"
int main() {
control_t ctl;
ctl.q = 0xfffffffd80236000ull;
uint64_t c_res = c_behavior(ctl);
uint64_t cpp_res = cpp_behavior(ctl);
const char *announce = c_res == cpp_res? "C == C++" : "OMG C != C++";
printf("%s\n", announce);
return c_res == cpp_res? 0: 1;
}
GCC 显示结果之间的差异 return:
$ gcc -Wpedantic main.c c-part.c cpp-part.cpp
$ ./a.exe
OMG C != C++
但是，对于 Clang，C 和 C++ 的行为与预期的一样：
$ clang -Wpedantic main.c c-part.c cpp-part.cpp
$ ./a.exe
C == C++
使用 Visual Studio 我得到与使用 Clang 相同的结果：
C:\Users\user\Documents>cl main.c c-part.c cpp-part.cpp
Microsoft (R) C/C++ Optimizing Compiler Version 19.00.24234.1 for x64
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.
main.c
c-part.c
Generating Code...
Compiling...
cpp-part.cpp
Generating Code...
Microsoft (R) Incremental Linker Version 14.00.24234.1
Copyright (C) Microsoft Corporation. All rights reserved.
/out:main.exe
main.obj
c-part.obj
cpp-part.obj
C:\Users\user\Documents>main.exe
C == C++
我尝试了 Windows 上的示例，尽管 GCC 的原始问题是在 Linux 上发现的。
这个问题似乎是 gcc 在 C 模式下的 32 位代码生成器所特有的：
可以使用Godbolt's Compiler Explorer
比较汇编代码这里是这个测试的源代码：
#include <stdint.h>
typedef union control {
uint64_t q;
struct {
uint64_t a: 1;
uint64_t b: 1;
uint64_t c: 1;
uint64_t d: 1;
uint64_t e: 1;
uint64_t f: 1;
uint64_t g: 4;
uint64_t h: 1;
uint64_t i: 1;
uint64_t p52: 52;
} b;
} control_t;
uint64_t test(control_t ctl) {
return ctl.b.p52 << 12;
}
C模式下的输出（flags-xc -O2 -m32）
test:
push esi
push ebx
mov ebx, DWORD PTR [esp+16]
mov ecx, DWORD PTR [esp+12]
mov esi, ebx
shr ebx, 12
shr ecx, 12
sal esi, 20
mov edx, ebx
pop ebx
or esi, ecx
mov eax, esi
shld edx, esi, 12
pop esi
sal eax, 12
and edx, 1048575
ret
问题是最后一条指令 and edx, 1048575 剪切了 12 个最高有效位。
除了最后一条指令外，C++ 模式下的输出是相同的：
test(control):
push esi
push ebx
mov ebx, DWORD PTR [esp+16]
mov ecx, DWORD PTR [esp+12]
mov esi, ebx
shr ebx, 12
shr ecx, 12
sal esi, 20
mov edx, ebx
pop ebx
or esi, ecx
mov eax, esi
shld edx, esi, 12
pop esi
sal eax, 12
ret
64 位模式下的输出更简单和正确，但对于 C 和 C++ 编译器来说不同：
#C code:
test:
movabs rax, 4503599627366400
and rax, rdi
ret
# C++ code:
test(control):
mov rax, rdi
and rax, -4096
ret
您应该在 gcc 错误跟踪器上提交错误报告。
C 和 C++ 以不同方式处理位域成员的类型。
C 2018 6.7.2.1 10 说：
A bit-field is interpreted as having a signed or unsigned integer type consisting of the specified number of bits…
注意这不是具体的类型——它是某种整数类型——并且它没有说该类型是用于声明位域的类型，如 uint64_t a : 1; 所示这个问题。这显然让实现可以选择类型。
C++ 2017 draft n4659 12.2.4 [class.bit] 1 表示，位域声明：
… The bit-field attribute is not part of the type of the class member…
这意味着，在诸如 uint64_t a : 1; 的声明中，: 1 不是 class 成员 a 类型的一部分，因此类型是就好像它是 uint64_t a;，因此 a 的类型是 uint64_t.
因此，GCC 似乎将 C 中的位字段视为某种 32 位或更窄的整数类型（如果它适合），并将 C++ 中的位字段视为其声明的类型，这似乎并不违反标准。
Andrew Henle 建议严格解释 C 标准：位域的类型是具有指定宽度的有符号或无符号整数类型。
这是一个支持这种解释的测试：使用 C1x _Generic() 构造，我试图确定不同宽度的位域的类型。我必须用 long long int 类型定义它们以避免在使用 clang 编译时出现警告。
这是来源：
#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#define typeof(X) _Generic((X), \
long double: "long double", \
double: "double", \
float: "float", \
unsigned long long int: "unsigned long long int", \
long long int: "long long int", \
unsigned long int: "unsigned long int", \
long int: "long int", \
unsigned int: "unsigned int", \
int: "int", \
unsigned short: "unsigned short", \
short: "short", \
unsigned char: "unsigned char", \
signed char: "signed char", \
char: "char", \
_Bool: "_Bool", \
__int128_t: "__int128_t", \
__uint128_t: "__uint128_t", \
default: "other")
#define stype long long int
#define utype unsigned long long int
struct s {
stype s1 : 1;
stype s2 : 2;
stype s3 : 3;
stype s4 : 4;
stype s5 : 5;
stype s6 : 6;
stype s7 : 7;
stype s8 : 8;
stype s9 : 9;
stype s10 : 10;
stype s11 : 11;
stype s12 : 12;
stype s13 : 13;
stype s14 : 14;
stype s15 : 15;
stype s16 : 16;
stype s17 : 17;
stype s18 : 18;
stype s19 : 19;
stype s20 : 20;
stype s21 : 21;
stype s22 : 22;
stype s23 : 23;
stype s24 : 24;
stype s25 : 25;
stype s26 : 26;
stype s27 : 27;
stype s28 : 28;
stype s29 : 29;
stype s30 : 30;
stype s31 : 31;
stype s32 : 32;
stype s33 : 33;
stype s34 : 34;
stype s35 : 35;
stype s36 : 36;
stype s37 : 37;
stype s38 : 38;
stype s39 : 39;
stype s40 : 40;
stype s41 : 41;
stype s42 : 42;
stype s43 : 43;
stype s44 : 44;
stype s45 : 45;
stype s46 : 46;
stype s47 : 47;
stype s48 : 48;
stype s49 : 49;
stype s50 : 50;
stype s51 : 51;
stype s52 : 52;
stype s53 : 53;
stype s54 : 54;
stype s55 : 55;
stype s56 : 56;
stype s57 : 57;
stype s58 : 58;
stype s59 : 59;
stype s60 : 60;
stype s61 : 61;
stype s62 : 62;
stype s63 : 63;
stype s64 : 64;
utype u1 : 1;
utype u2 : 2;
utype u3 : 3;
utype u4 : 4;
utype u5 : 5;
utype u6 : 6;
utype u7 : 7;
utype u8 : 8;
utype u9 : 9;
utype u10 : 10;
utype u11 : 11;
utype u12 : 12;
utype u13 : 13;
utype u14 : 14;
utype u15 : 15;
utype u16 : 16;
utype u17 : 17;
utype u18 : 18;
utype u19 : 19;
utype u20 : 20;
utype u21 : 21;
utype u22 : 22;
utype u23 : 23;
utype u24 : 24;
utype u25 : 25;
utype u26 : 26;
utype u27 : 27;
utype u28 : 28;
utype u29 : 29;
utype u30 : 30;
utype u31 : 31;
utype u32 : 32;
utype u33 : 33;
utype u34 : 34;
utype u35 : 35;
utype u36 : 36;
utype u37 : 37;
utype u38 : 38;
utype u39 : 39;
utype u40 : 40;
utype u41 : 41;
utype u42 : 42;
utype u43 : 43;
utype u44 : 44;
utype u45 : 45;
utype u46 : 46;
utype u47 : 47;
utype u48 : 48;
utype u49 : 49;
utype u50 : 50;
utype u51 : 51;
utype u52 : 52;
utype u53 : 53;
utype u54 : 54;
utype u55 : 55;
utype u56 : 56;
utype u57 : 57;
utype u58 : 58;
utype u59 : 59;
utype u60 : 60;
utype u61 : 61;
utype u62 : 62;
utype u63 : 63;
utype u64 : 64;
} x;
int main(void) {
#define X(v) printf("typeof(" #v "): %s\n", typeof(v))
X(x.s1);
X(x.s2);
X(x.s3);
X(x.s4);
X(x.s5);
X(x.s6);
X(x.s7);
X(x.s8);
X(x.s9);
X(x.s10);
X(x.s11);
X(x.s12);
X(x.s13);
X(x.s14);
X(x.s15);
X(x.s16);
X(x.s17);
X(x.s18);
X(x.s19);
X(x.s20);
X(x.s21);
X(x.s22);
X(x.s23);
X(x.s24);
X(x.s25);
X(x.s26);
X(x.s27);
X(x.s28);
X(x.s29);
X(x.s30);
X(x.s31);
X(x.s32);
X(x.s33);
X(x.s34);
X(x.s35);
X(x.s36);
X(x.s37);
X(x.s38);
X(x.s39);
X(x.s40);
X(x.s41);
X(x.s42);
X(x.s43);
X(x.s44);
X(x.s45);
X(x.s46);
X(x.s47);
X(x.s48);
X(x.s49);
X(x.s50);
X(x.s51);
X(x.s52);
X(x.s53);
X(x.s54);
X(x.s55);
X(x.s56);
X(x.s57);
X(x.s58);
X(x.s59);
X(x.s60);
X(x.s61);
X(x.s62);
X(x.s63);
X(x.s64);
X(x.u1);
X(x.u2);
X(x.u3);
X(x.u4);
X(x.u5);
X(x.u6);
X(x.u7);
X(x.u8);
X(x.u9);
X(x.u10);
X(x.u11);
X(x.u12);
X(x.u13);
X(x.u14);
X(x.u15);
X(x.u16);
X(x.u17);
X(x.u18);
X(x.u19);
X(x.u20);
X(x.u21);
X(x.u22);
X(x.u23);
X(x.u24);
X(x.u25);
X(x.u26);
X(x.u27);
X(x.u28);
X(x.u29);
X(x.u30);
X(x.u31);
X(x.u32);
X(x.u33);
X(x.u34);
X(x.u35);
X(x.u36);
X(x.u37);
X(x.u38);
X(x.u39);
X(x.u40);
X(x.u41);
X(x.u42);
X(x.u43);
X(x.u44);
X(x.u45);
X(x.u46);
X(x.u47);
X(x.u48);
X(x.u49);
X(x.u50);
X(x.u51);
X(x.u52);
X(x.u53);
X(x.u54);
X(x.u55);
X(x.u56);
X(x.u57);
X(x.u58);
X(x.u59);
X(x.u60);
X(x.u61);
X(x.u62);
X(x.u63);
X(x.u64);
return 0;
}
这是使用 64 位 clang 编译的程序输出：
typeof(x.s1): long long int
typeof(x.s2): long long int
typeof(x.s3): long long int
typeof(x.s4): long long int
typeof(x.s5): long long int
typeof(x.s6): long long int
typeof(x.s7): long long int
typeof(x.s8): long long int
typeof(x.s9): long long int
typeof(x.s10): long long int
typeof(x.s11): long long int
typeof(x.s12): long long int
typeof(x.s13): long long int
typeof(x.s14): long long int
typeof(x.s15): long long int
typeof(x.s16): long long int
typeof(x.s17): long long int
typeof(x.s18): long long int
typeof(x.s19): long long int
typeof(x.s20): long long int
typeof(x.s21): long long int
typeof(x.s22): long long int
typeof(x.s23): long long int
typeof(x.s24): long long int
typeof(x.s25): long long int
typeof(x.s26): long long int
typeof(x.s27): long long int
typeof(x.s28): long long int
typeof(x.s29): long long int
typeof(x.s30): long long int
typeof(x.s31): long long int
typeof(x.s32): long long int
typeof(x.s33): long long int
typeof(x.s34): long long int
typeof(x.s35): long long int
typeof(x.s36): long long int
typeof(x.s37): long long int
typeof(x.s38): long long int
typeof(x.s39): long long int
typeof(x.s40): long long int
typeof(x.s41): long long int
typeof(x.s42): long long int
typeof(x.s43): long long int
typeof(x.s44): long long int
typeof(x.s45): long long int
typeof(x.s46): long long int
typeof(x.s47): long long int
typeof(x.s48): long long int
typeof(x.s49): long long int
typeof(x.s50): long long int
typeof(x.s51): long long int
typeof(x.s52): long long int
typeof(x.s53): long long int
typeof(x.s54): long long int
typeof(x.s55): long long int
typeof(x.s56): long long int
typeof(x.s57): long long int
typeof(x.s58): long long int
typeof(x.s59): long long int
typeof(x.s60): long long int
typeof(x.s61): long long int
typeof(x.s62): long long int
typeof(x.s63): long long int
typeof(x.s64): long long int
typeof(x.u1): unsigned long long int
typeof(x.u2): unsigned long long int
typeof(x.u3): unsigned long long int
typeof(x.u4): unsigned long long int
typeof(x.u5): unsigned long long int
typeof(x.u6): unsigned long long int
typeof(x.u7): unsigned long long int
typeof(x.u8): unsigned long long int
typeof(x.u9): unsigned long long int
typeof(x.u10): unsigned long long int
typeof(x.u11): unsigned long long int
typeof(x.u12): unsigned long long int
typeof(x.u13): unsigned long long int
typeof(x.u14): unsigned long long int
typeof(x.u15): unsigned long long int
typeof(x.u16): unsigned long long int
typeof(x.u17): unsigned long long int
typeof(x.u18): unsigned long long int
typeof(x.u19): unsigned long long int
typeof(x.u20): unsigned long long int
typeof(x.u21): unsigned long long int
typeof(x.u22): unsigned long long int
typeof(x.u23): unsigned long long int
typeof(x.u24): unsigned long long int
typeof(x.u25): unsigned long long int
typeof(x.u26): unsigned long long int
typeof(x.u27): unsigned long long int
typeof(x.u28): unsigned long long int
typeof(x.u29): unsigned long long int
typeof(x.u30): unsigned long long int
typeof(x.u31): unsigned long long int
typeof(x.u32): unsigned long long int
typeof(x.u33): unsigned long long int
typeof(x.u34): unsigned long long int
typeof(x.u35): unsigned long long int
typeof(x.u36): unsigned long long int
typeof(x.u37): unsigned long long int
typeof(x.u38): unsigned long long int
typeof(x.u39): unsigned long long int
typeof(x.u40): unsigned long long int
typeof(x.u41): unsigned long long int
typeof(x.u42): unsigned long long int
typeof(x.u43): unsigned long long int
typeof(x.u44): unsigned long long int
typeof(x.u45): unsigned long long int
typeof(x.u45): unsigned long long int
typeof(x.u46): unsigned long long int
typeof(x.u47): unsigned long long int
typeof(x.u48): unsigned long long int
typeof(x.u49): unsigned long long int
typeof(x.u50): unsigned long long int
typeof(x.u51): unsigned long long int
typeof(x.u52): unsigned long long int
typeof(x.u53): unsigned long long int
typeof(x.u54): unsigned long long int
typeof(x.u55): unsigned long long int
typeof(x.u56): unsigned long long int
typeof(x.u57): unsigned long long int
typeof(x.u58): unsigned long long int
typeof(x.u59): unsigned long long int
typeof(x.u60): unsigned long long int
typeof(x.u61): unsigned long long int
typeof(x.u62): unsigned long long int
typeof(x.u63): unsigned long long int
typeof(x.u64): unsigned long long int
所有位域似乎都具有定义的类型，而不是特定于定义宽度的类型。
这是使用 64 位 gcc 编译的程序输出：
typestr(x.s1): other
typestr(x.s2): other
typestr(x.s3): other
typestr(x.s4): other
typestr(x.s5): other
typestr(x.s6): other
typestr(x.s7): other
typestr(x.s8): signed char
typestr(x.s9): other
typestr(x.s10): other
typestr(x.s11): other
typestr(x.s12): other
typestr(x.s13): other
typestr(x.s14): other
typestr(x.s15): other
typestr(x.s16): short
typestr(x.s17): other
typestr(x.s18): other
typestr(x.s19): other
typestr(x.s20): other
typestr(x.s21): other
typestr(x.s22): other
typestr(x.s23): other
typestr(x.s24): other
typestr(x.s25): other
typestr(x.s26): other
typestr(x.s27): other
typestr(x.s28): other
typestr(x.s29): other
typestr(x.s30): other
typestr(x.s31): other
typestr(x.s32): int
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这与具有不同类型的每个宽度一致。
表达式 E1 << E2 具有提升后的左操作数的类型，因此任何宽度小于 INT_WIDTH 的内容都会通过 整数提升[=45] 提升为 int =] 并且任何大于 INT_WIDTH 的宽度都被保留。如果此宽度大于 INT_WIDTH，则表达式的结果确实应该被截断为位字段的宽度。更准确地说，它应该为无符号类型截断，它可能是为有符号类型定义的实现。
如果 E1 或 E2 是宽度大于 int 的位域，则 E1 + E2 和其他算术运算符也会发生同样的情况。宽度较小的操作数转换为宽度较大的类型，结果也具有类型类型。这种非常违反直觉的行为导致了许多意想不到的结果，可能是人们普遍认为位域是伪造的，应该避免的原因。
许多编译器似乎不遵循 C 标准的这种解释，从当前的措辞来看这种解释也不明显。在 C 标准的未来版本中阐明涉及位域操作数的算术运算的语义将很有用。