在有和没有位字段的结构上，sizeof函数是如何工作的？(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Windows10 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。有人可以解释或分享一些关于这个主题的链接吗？

Answer 1

仅当位字段的类型相同时，位字段才紧凑在一起。因此，使用以下位字段：

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

不是一个字节长，而是四个字节。

这是因为两件事-首先，位字段不会跨越类型边界。字符中的比特字段不能与短码中的比特字段混合。

其次，为了对齐，必须将短字符放置在结构开头的两个字节的边界上。因此，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;
}

这会使该结构的长度达到四个字节。

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;
};

在这里，flag1、flag2、flag3和flag4都具有相同的类型，并精简为存储在单个字节中的四位值。counter1是一种不同的类型，其自然对齐方式为1，因此它移动到下一个字节边界。counter2也是一种不同的类型，它的自然对齐方式是4，因此它移动到下一个4字节边界。然后，如果我们将各个部分和中间填充的大小相加，我们得到：

1个字节具有4个标志，1个字节具有4位计数器，2个字节具有对齐填充，4个字节具有4位计数器。

这加起来有8个字节，这与编译器报告的完全相同。

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：

1个字节用于布尔flag1，1个字节用于布尔flag2，1个字节用于布尔flag3，1个字节用于布尔flag4，1个字节用于counter1，3个字节用于对齐填充，4个字节用于counter2。

加起来是12，这也是编译器报告的结果。

第三种结构与第二种结构基本相同，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：

1个字节用于布尔flag1，1个字节用于布尔flag2，1个字节用于布尔flag3，1个字节用于布尔flag4，1个字节用于counter1。

正如编译器所报告的，这总共增加了5个字节。

需要注意的是，内部类型的自然对齐也会泄漏到结构本身。考虑以下结构：

struct TrailingAlignment
{
    int Field1;
    short Field2;
}

这是因为该结构可能在数组中使用，如果长度为6字节，则数组中每隔一项就会包含一个未对齐的Field1，这会在不支持未对齐访问的系统中造成重大问题(如某些ARM类型)。为了避免这种情况，编译器在结构的末尾插入两个字节，以确保数组中此结构的下一个实例将在四个字节的边界上对齐，假设第一个结构正确对齐。

对于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，它都将始终对齐。