将一个结构放入比它小的内存中

Question

我正在优化一种压缩算法，该算法使用跨 2 个字节的结构。但有时我希望它只解释 1 个字节，因为（我希望）映射到第二个字节的成员永远不会被写入或读取。

我是否能保证只要

zFmt

和

wFmt

从未被访问过，编译器就不会访问第二个字节？如果不是，我可以编写一个静态断言，当这个假设错误时将停止编译吗？

struct Header {
    uint8_t xFmt : 4;
    uint8_t yFmt : 4;
    uint8_t zFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte
    uint8_t wFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte
};
    
static_assert( sizeof(Header) == 2 && alignof(Header) == 1, "alignment vital");


// --- usage ---
int main(){
    // Header may be placed into memory where it overlaps only one byte;
    // in that case, it's .zFmt and .wFmt members are never read or written to
    char buffer[1];
    Header * header = new (buffer) Header;

    // can I be sure (or statically assert) that these instructions
    // will only read and write to the nearest (and only) owned byte?
    header->xFmt = 0;
    header->yFmt = 0;
    header->xFmt += 1; 
    header->yFmt += 1; 
}

旁注：

该算法目前有效，但我想确保它不依赖于未定义的行为。我相信通过使用新的放置来遵守严格别名，但也许这个假设是不正确的？

另外，我想以这种方式使用这个结构和位字段......因为它们看起来不错！这不是最好的原因哈哈，所以如果这是不可能的，我的后备方法是解释没有结构的字节，如带有移位和掩码的

uint8_t

。我还知道我可以使用继承来执行切片，如果这是未定义的，我将研究它。

Answer 1

回答我自己的问题，因为我相信我已经在 2020 版 C++ ISO 标准中找到了答案（将相关部分加粗）：

• 内存位置可以是标量类型的对象，也可以是相邻位域的最大序列，所有位域都具有 非零宽度。 [注意：语言的各种功能，例如引用和虚函数，可能涉及 程序无法访问但由实现管理的附加内存位置。 — 尾注] 两个或多个执行线程 (6.9.2) 可以访问单独的内存位置而不会干扰 与彼此。

• [注：因此，位字段和相邻的非位字段位于不同的存储位置，因此可以 由两个执行线程同时更新，互不干扰。 这同样适用于两个位域， 如果一个在嵌套结构声明内声明而另一个不在嵌套结构声明内，或者两者由 零长度位域声明，或者它们被非位域声明分隔。 这是不安全的 如果它们之间的所有字段也是非零位字段，则同时更新同一结构中的两个位字段 宽度。 — 尾注]

struct {
    char a;
    int b:5,
    c:11,
    :0,
    d:8;
    struct {int ee:8;} e;
}

• [示例：声明为[上述]的类包含四个单独的内存位置：成员 a 和位域 d 和 e.ee 都是单独的内存 位置，并且可以同时修改而不会互相干扰。位域 b 和 c 一起构成第四个存储位置。位域 b 和 c 不能同时修改，但是 例如，b和a可以是。 —结束示例]

关于“两个或多个执行线程”访问单独的内存位置的注释很重要，因为它确保访问一个“内存位置”的代码无法加载或写入另一内存位置。 因此，在我的代码中访问

yFmt

无法触及

zFmt

并导致访问冲突（如果该内存不属于该对象）。结合结构的所有成员和位字段必须具有递增地址的规则，我相信这使我的用法定义明确，并进行了以下更改：

struct Header {
    uint8_t xFmt : 4;
    uint8_t yFmt : 4;
    uint8_t :0;
    uint8_t zFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte
    uint8_t wFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte
};

static_assert( sizeof(Header) == 2 && alignof(Header) == 1, "");

当然，并不是说它不容易导致程序员错误，但它似乎确实定义良好。