带位域的联合会给位域成员提供意外的值

Question

我具有以下构造，用于获取包含四个12位值的48位值并提取它们。

struct foo {
    union {
        unsigned __int64 data;
        struct {
            unsigned int a      : 12;
            unsigned int b      : 12;
            unsigned int c      : 12;
            unsigned int d      : 12;
            unsigned int unused : 16;
        };
    };
} foo;

然后使用[分配有问题的数据

foo.data = (unsigned __int64)Value;

[Value这里最初是用于存储数据的双精度型。

我对位字段的假设是

• 数据保存变量应足够大以容纳整个数据和未签名。所以unsigned __int64可容纳48位。
• 每个位域成员的类型应足以容纳分配给它且未签名的位数。
• 最好将所有位域成员保持相同的类型，如果可能。 （以避免对齐问题？）
• 实际上不需要unused成员。

这些正确吗？

测试使用

Value = 206225551364

我们得到一个应该包含这些位的值

0000 0011 0000 0000 0100 0000 0000 0011 0000 0000 0100‬

这应该导致

a: 0000 0000 0100‬ = 4
b: 0000 0000 0011 = 3
c: 0000 0000 0100 = 4
d: 0000 0000 0011 = 3

但是运行此返回的实际值是

a: 4
b: 3
c: 48
d: 0

尽管这些值应该适合unsigned int's，但在所使用的类型之间切换有时会更改这些值。因此，感觉到它与添加到位域中的数据的解释方式有关。

通过添加＃pragma pack（1），据我了解它与对齐方式有关，但是这种用法并不多见，我突然得到了预期的值。

struct foo {
    union {
        unsigned __int64 data;
#pragma pack(1)
        struct {
            unsigned int a      : 12;
            unsigned int b      : 12;
            unsigned int c      : 12;
            unsigned int d      : 12;
            unsigned int unused : 16;
        };
    };
} foo;

a: 4
b: 3
c: 4
d: 3

但是我接受这个感觉并不舒服。我想了解它，从而确保它确实有效，并且在值不超过4位的情况下，它似乎不起作用。

所以，

• 我为什么看到这个问题开始？
• ＃pragma pack语句可以解决此问题吗？
• 有人能推断出什么时候会成为问题，而不是呢？是因为值是12位而不是8位或16位吗？

Answer 1

长话短说-无论您在做什么，通过union投射数据都是不确定的行为。因此，它可以正常工作，而并非偶然。仅允许您使用union进行的操作读取您上次写入的成员。您执行其他任何操作，并且程序无效。

编辑：

即使允许，即使没有#pragma pack，您也要依赖于结构中的数据对齐。大概是32位或64位。因此，在这种情况下，您的结构在内存中看起来确实像这样：

struct {
    unsigned int a      : 12;
    unsigned int a_align: 20;
    unsigned int b      : 12;
    unsigned int b_align: 20;
    unsigned int c      : 12;
    unsigned int c_align: 20;
    unsigned int d      : 12;
    unsigned int d_align: 20;
    unsigned int unused : 16;
    unsigned int unused_align: 16;

};

如果要从结构中提取一些数据，则可能应使用如下所示的掩码和位移位：

unsigned mask12 = 0xFFF;
unsigned a = data & mask12;
unsigned b = (data >> 12) & mask12;
unsigned c = (data >> 24) & mask12;
unsigned d = (data >> 36) & mask12;

Answer 2

我为什么看到这个问题开始？

正确地，访问联盟的不活动成员具有未定义的行为。但是让我们假设您的系统允许它。

unsigned可能是32位。 a和b装入第一个unsigned，总共占用24位。此unsigned仅剩8位。 12位c不适合该8位插槽。因此，它改为开始一个新的unsigned并保留8位填充。

这是一个可能的结果。位域布局由实现定义。在另一个系统上，您可能会看到预期的结果。

＃pragma pack语句可以解决此问题吗？

它可能会更改布局规则，以允许跨多个基础对象“跨越”位域。