有啥方法可以控制 C++ 中结构成员（包括位字段）之间的填充？

Posted 2023-03-06

【中文标题】有啥方法可以控制 C++ 中结构成员（包括位字段）之间的填充？

【英文标题】：Is there any way to control the padding between struct members (incl. bit field) in C++?有什么方法可以控制 C++ 中结构成员（包括位字段）之间的填充？

【发布时间】：2013-09-10 06:41:09

【问题描述】：

我正在解析网络数据流，我想知道是否有任何方法可以将数据流直接映射到数据结构。

例如，我想定义一个RTP协议的数据结构如下。

class RTPHeader

   int version:2; // The first two bits is version.
   int P:1;  // The next bits is an field P.
   int X:1;
   int CC:4;
   int M:1;
   int PT:7;
   int sequenceNumber;
   int64 timestamp;
   .....
;

并以这种方式使用它。

RTPHeader header;
memcpy(&header, steamData, sizeof(header));

但是由于 C++ 编译器会在成员之间插入填充，有没有什么方法可以控制成员之间不添加填充（包括位字段成员）？

这个问题与How to get rid of padding bytes between data members of a struct 不重复，因为在我的示例中可能存在位域。

【问题讨论】：

我相信没有标准的方法可以做到这一点，但你的编译器可能有一些扩展（例如 VS 有它）允许你控制填充。我希望有人证明我错了。

位域加起来是 8 的倍数，（不出所料）。如果你指示编译器打包类/结构，你应该没问题。

我不认为位域之间添加了填充，是吗？否则它会破坏位域的意义。

@JonathanPotter 如果位域加起来不是 8 的倍数，编译器不会跨字节边界分割后续整数等，因此它会填充。

@MartinJames：对，但不是在位域之间。

【参考方案1】：

如果您能够使用 C++11，则可以利用使用 alignof 运算符实现的对齐控件。

如果您不能使用 C++11 编译器，可以使用非标准替代方案来帮助您；在 GCC 中为 __attribute__(packed)，在 MSVC 中为 #pragma pack。

如果您选择的是 GCC 变体，则该属性必须放在 结构的末尾：

class RTPHeader

    int version:2; // The first two bits is version.
    int P:1;  // The next bits is an field P.
    int X:1;
    int CC:4;
    int M:1;
    int PT:7;
    int sequenceNumber;
    int64 timestamp;
    .....
 __attribute__((packed)) ; // attribute here!

如果您选择的是 MSVC，则编译指示必须放在 结构之前：

#pragma pack(1) // pragma here!
class RTPHeader

    int version:2; // The first two bits is version.
    int P:1;  // The next bits is an field P.
    int X:1;
    int CC:4;
    int M:1;
    int PT:7;
    int sequenceNumber;
    int64 timestamp;
    .....
;

如果您的代码必须同时编译，唯一的方法（没有 C++11 alignof 运算符）是条件编译：

#ifdef MSVC
#pragma pack(1)
#endif
class RTPHeader

    int version:2; // The first two bits is version.
    int P:1;  // The next bits is an field P.
    int X:1;
    int CC:4;
    int M:1;
    int PT:7;
    int sequenceNumber;
    int64 timestamp;
    .....
#ifdef GCC
__attribute__((packed));
#else
;
#endif

【参考方案2】：

只要您不要求此代码在任意机器上“工作” - 例如对 int 所在的字节边界有限制的机器（通常是 4 字节边界），然后使用

 #pragma(pack)

应该可以工作，它是supported in GCC 以及 Microsoft 和“Microsoft 插件兼容”编译器（例如 Intel 的编译器）。

但请注意，并非所有处理器都支持非对齐访问，因此以 16 位值开始一个块，然后是 32 位 int 可能会导致问题。

我还会为序列号使用一个大小合适的整数，以确保它在每个编译器中都是 32 位，而不是突然变成 16 位或 64 位。

另请注意，C++ 标准没有说明位存储在位域中的顺序 - 或者就此而言，它们之间是否存在间隙。尽管您可以期望按照字节顺序存储位域（小端机器首先从最低位开始，大端机器首先从最高位开始），但该标准在这方面没有说明任何内容。

【讨论】：

我会将这篇文章标记为答案，因为它不仅回答了问题，还指出了 C++ 中未定义位字段存储以及小端问题。实际上在考虑了字节序问题后，我不想选择这种解决方案来解析流。

【参考方案3】：

为了避免插入填充字节，您可以使用

#pragma pack(push,n)   // use n = 1 to have 1 Byte resolution

typedef struct ...MY_STRUCT;

#pragma pack(pop)

这对我来说很好。

还要考虑结构成员对齐的编译选项

/Zp1

但请记住，这将对您的整个项目产生影响。

【讨论】：

然而，这是一个依赖于平台的编译器扩展（即使 gcc 和 VS 使用相同的语法，也不知道）。而且命令行选项绝对是VS only。