sizeof 函数如何在有和没有位字段的结构上工作？（填充）

Question

我在 C++ 中测试带有位字段的结构的行为，但我遇到了一些令人困惑的事情。我的操作系统是 Windows 10 x64。

我使用的代码如下：

struct BitFieldTest
{
    bool flag1 : 1;
    bool flag2 : 1;
    bool flag3 : 1;
    bool flag4 : 1;
    unsigned char counter1 : 4;
    unsigned int counter2 : 4;
};

struct NormalFieldTest
{
    bool flag1;
    bool flag2;
    bool flag3;
    bool flag4;
    unsigned char counter1;
    unsigned int counter2;
};
struct NormalFieldTest2
{
    bool flag1;
    bool flag2;
    bool flag3;
    bool flag4;
    unsigned char counter1;
};

int main()
{
    std::cout << "Size of bool: " << sizeof(bool) << std::endl;
    std::cout << "Size of unsigned char: " << sizeof(unsigned char) << std::endl;
    std::cout << "Size of unsigned int: " << sizeof(unsigned int) << std::endl;

    std::cout << "Size of struct with bit field: " << sizeof(BitFieldTest) << std::endl;
    std::cout << "Size of struct without bit field: " << sizeof(NormalFieldTest) << std::endl;
    std::cout << "Size of struct without bit field: " << sizeof(NormalFieldTest2) << std::endl;
    return 0;
}

输出为：

Size of bool: 1
Size of unsigned char: 1
Size of unsigned int: 4
Size of struct with bit field: 8
Size of struct without bit field: 12
Size of struct without bit field 2: 5

我不明白为什么结构的大小是这样的。任何人都可以解释或分享有关该主题的一些链接吗？

Answer 1

只要位域的类型相同，位域只会压缩在一起。所以一个位字段：

struct Test
{
    char Test1 : 1;
    char Test2 : 1;
    char Test3 : 1;
    char Test4 : 1;
    short Test5 : 4;
}

不会是一个字节长，而是四个。

这是因为两件事——首先，位域不跨越类型边界。 char 中的位域不能与 short 中的位域混合。

其次，short 必须放置在结构开头的双字节边界上以进行对齐。所以编译器将其更改为：

struct Test
{
    char Test1 : 1;
    char Test2 : 1;
    char Test3 : 1;
    char Test4 : 1;
    char BitPadding : 4;
    char AlignmentPadding;
    short Test5 : 4;
    short BitPadding2 : 12;
}

这使结构达到四个字节长。

现在我们依次检查每个结构。

struct BitFieldTest
{
    bool flag1 : 1;
    bool flag2 : 1;
    bool flag3 : 1;
    bool flag4 : 1;
    unsigned char counter1 : 4;
    unsigned int counter2 : 4;
};

这里，flag1、flag2、flag3、flag4都是相同的类型，压缩成一个四位的值存储在一个字节中. counter1 是不同的类型，并且自然对齐为 1，因此它移动到下一个字节边界。 counter2 也是不同的类型，它自然对齐四，所以它移动到下一个四字节边界。如果我们然后总结各个部分的大小和中间填充，我们有：

1 个字节，有四个标志， 1 个字节，带有一个四位计数器， 2 个字节的对齐填充，以及 4 个字节和一个四位计数器。

这加起来为 8 个字节，正是编译器报告的内容。

第二个结构没有位字段，但显示了对齐问题：

struct NormalFieldTest
{
    bool flag1;
    bool flag2;
    bool flag3;
    bool flag4;
    unsigned char counter1;
    unsigned int counter2;
};

在这里，我们有：

布尔标志 1 的 1 个字节， 1 个字节用于布尔标志 2， 1 个字节用于布尔标志 3， 1 个字节用于布尔标志 4， 1 个字节用于计数器 1， 3 个字节用于对齐填充，以及 counter2 的 4 个字节。

这加起来是 12，这也是编译器报告的值。

第三个结构与第二个非常相似，但缺少内部对齐填充：

struct NormalFieldTest2
{
    bool flag1;
    bool flag2;
    bool flag3;
    bool flag4;
    unsigned char counter1;
};

在这里，我们有：

布尔标志 1 的 1 个字节， 1 个字节用于布尔标志 2， 1 个字节用于布尔标志 3，布尔标志 4 的 1 个字节，以及 counter1 的 1 个字节。

正如编译器所报告的那样，这总共增加了 5 个字节。

作为附加说明，内部类型的自然对齐也可能泄漏到结构本身。考虑以下结构：

struct TrailingAlignment
{
    int Field1;
    short Field2;
}

这个结构看起来是 6 个字节，但编译后会变成 8 个字节。这是因为这个结构可能会用在一个数组中，如果它的长度是 6 个字节，那么数组中的每个其他项目都会包含一个未对齐 Field1，导致不支持未对齐访问的系统（如某些 ARM 版本）出现重大问题。为避免这种情况，编译器会在结构末尾插入两个字节，以确保数组中此结构的下一个实例将在四字节边界上对齐，前提是第一个结构已正确对齐。

NormalFieldTest2 不会发生这种情况，因为 bool 和 char 的自然对齐是一个字节，所以无论结构在内存中的什么位置，它总是对齐的.

sizeof 函数如何在有和没有位字段的结构上工作？（填充）

How works the sizeof function on a struct with and without bit field? (padding)

c++

sizeof

alignment

bit-fields

sizeof 函数如何在有和没有位字段的结构上工作？ （填充）

How works the sizeof function on a struct with and without bit field? (padding)

c++

sizeof

alignment

bit-fields

sizeof 函数如何在有和没有位字段的结构上工作？（填充）