c++ - 位域是对齐数据的一种方式吗？

Question

从cppreference

#include <iostream>
struct S {
    // will usually occupy 2 bytes:
    // 3 bits: value of b1
    // 2 bits: unused
    // 6 bits: value of b2
    // 2 bits: value of b3
    // 3 bits: unused
    unsigned char b1 : 3, : 2, b2 : 6, b3 : 2;
};
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // usually prints 2
}

为什么2位未使用？
不能只是:

unsigned char b1 : 3, b2 : 6, b3 : 2;

这是一种填充方法吗？
谁能解释一下这个位字段是否真的改变了变量的大小，或者它们仅仅是编译器的“建议”？ (作为 inline关键字)。如果位字段按照我的理解工作，您将可以在1位上存储一个 bool(boolean) 值(这是不可能的，因为内存被拆分为1个字节的块)

Answer 1

您引用的示例用于说明通常(不一定)将多个位域打包在一起。如果您仔细看一下:

    // 3 bits: value of b1      - 3 bits occupied
    // 2 bits: unused           - 2 bits left unused
    // 6 bits: value of b2      - 6 bits occupied (these 6 can't fit into the previous byte
                                as 5 bits are already occupied. What will happen in this 
                                case? Will these 6 bits go into the next byte? Will they
                                somehow *overlap* two bytes?
    // 2 bits: value of b3       
    // 3 bits: unused

如果 sizeof(S) == 2的结果为true，那么我们可以说 b2字段跨越字节。这个例子试图解释这个概念。
该示例在解释这一点时并不太清楚，因此让我创建一个更好的示例:

struct S {
    unsigned char b1 : 3, : 2, b2 : 6, b3 : 3;
};

区别是 b3现在是3位。 struct = 3 + 2 + 6 + 3 = 14的总位。如果现在打印 sizeof (S)，我将得到 3作为输出，它告诉我系统上没有字节跨越。
此外，您可以在页面底部找到它:

• Everything about the actual allocation details of bit fields within the class object
  • For example, on some platforms, bit fields don't straddle bytes, on others they do
  • Also, on some platforms, bit fields are packed left-to-right, on others right-to-left

Could anyone explain me if (if I am not wrong) this bit fields actually change the size of the variable or they are just a "suggestion" for the compiler? (as inline keyword). If bit fields works as I understand, you would be able to stor a boolean on 1 bit (which is not possible because the memory is splitted on chunks of 1 bytes)

关于位域的几乎所有内容都是由实现定义的，因此要获得正确的答案，您必须查看每个编译器的文档并阅读ABI文档以获取答案。例如，这来自 GCC docs:

Whether a bit-field can straddle a storage-unit boundary (C90 6.5.2.1, C99 and C11 6.7.2.1).
Determined by ABI.

如果我们查看 assembly generated for GCC 10.1，我们可以看到位域实际上正在被使用:

        # b1: 1, b2: 61, b3: 3

        sub     rsp, 24
        mov     eax, -767
        lea     rdi, [rsp+14]
        mov     WORD PTR [rsp+14], ax

二进制数 -767:

b3  b6    b1
11 111101 00000001

boolean on 1 bit

如果不提及尝试执行此操作的 std::vector<bool>，答案将是不完整的，但事实证明这并不是一个好主意。