C/C++结构体中字段的顺序

Question

我有一个类似于这种情况的问题

struct Child
{
  u16 x, y;
  // other fields
};

struct Father
{
  struct Child child1;
  struct Child child2;
  // other fields
};

Father tilemap[WIDTH][HEIGHT];

现在我意识到我想为x,y省下四个字节，因为它们总是为同一个父级的两个孩子设置相同的值。

在我的代码中，我传递了许多Father*和Child*，同时使用father->child1->x或child1->x来恢复坐标。我想在Father级别上安全地移动坐标，但我对某些事情不确定。

声明字段的顺序是否会受到gcc/g++的任何优化或可能实现的影响而得到尊重？我能否确信&father == &father.child1？

真正的问题在于，我传递了Child*，却不知道它是child1还是child2字段，因此我无法直接知道恢复父级地址（及其坐标）的偏移量。我想在Child级别上使用一个位来区分它们，但我能轻松地恢复父级的地址吗？

如果有任何建议，将不胜感激，谢谢。

编辑：作为进一步的信息，我使用C++作为主要语言，但这些结构不包含任何奇怪的方法，仅包含字段和空构造函数。

- Jack

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请参考以下链接：https://dev59.com/2XVC5IYBdhLWcg3weBA- - Ian Clelland

Answer 1

C语言中有关字段布局的一般规则如下：

1. 第一个成员的地址与结构体本身的地址相同。即，该成员字段的offsetof为0。
2. 成员的地址始终按声明顺序递增。也就是说，第n个字段的offsetof低于（n + 1）-th成员的偏移量。

当然，在C++中，只有当它是标准布局类型时才成立，即大致上没有public/private/protected混合成员、没有虚函数和没有从其他类继承的成员的类或结构体。

- rodrigo

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我想提一下标准所保证的内容和值得依赖的内容之间的区别。在这种情况下，我认为依赖于&father==&father.child是不好的做法。 - ugoren

@ugoren - 不良实践是一个相对的术语。仅仅为了好玩而这样做是个坏主意。但在 C 中，经常这样做来实现一种类型继承。在低级编程中，正如 OP 所做的那样，为了速度或简单起见，依赖于这些事实也很普遍，甚至更加不可移植。 - rodrigo

你说得对，不良实践是相对的，更具体地说，是替代方案的问题。在大多数情况下，用&father->child1替换(Child *)father会得到更好的代码。反之亦然，如果你知道它是0，即使你知道它是0，也应该使用offsetof。但如果有情况，尽管你尝试了很多次，你仍然不得不依赖于这个，那就没关系。 - ugoren

Answer 2

_{免责声明：部分回答。仅限于C++}

在gcc/g++的任何优化或可能的实现中，已声明字段的顺序是否会被保留？

编译器不会篡改内存布局中成员的顺序。它们的顺序与您声明它们的顺序相同。

我可以相信 &father == &father.child1 吗？

在这种特定情况下，是的。但是，仅仅因为child1是father的第一个成员并不意味着 &father == &father.child1?。只有当father是POD时才成立，在这种情况下，它是POD。

- Armen Tsirunyan

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拥有一些联合位域总是在整个数据字段之后，会改变这个事实吗？ - Jack

@Jack：不会的，Seth 在下面解释了为什么 :) vvv - Armen Tsirunyan

只要Father有一个平凡的构造函数和析构函数并且仅包含POD类型，那么它就是一个POD类型，因此包含一个联合体不会改变它。@Jack - Seth Carnegie

实际上，Father 只需要是一个标准布局类。此外，&father == &father.child1 甚至无法编译，因此需要对一个或多个操作数进行 reinterpret_cast。 - Mankarse

Answer 3

C标准的相关部分如下所述（重点在于我）：

在结构对象中，非位域成员和位域所在的单元的地址按照它们声明的顺序递增。指向结构对象的指针，经过适当转换后，指向其初始成员（如果该成员是位域，则指向其所在的单元），反之亦然。结构对象内可能有未命名的填充，但不会出现在其开头。

C++标准也做出了同样的承诺：

指向标准布局结构体对象的指针，经过适当的reinterpret_cast转换，指向其初始成员（如果该成员是位域，则指向其所在的单元），反之亦然。[注意：因此，在标准布局结构体对象内可能存在未命名的填充，但不会出现在其开头，以实现适当的对齐。-注]

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所以当你问：

我可以相信 &father == &father.child1 吗？

答案是肯定的。

- David Heffernan

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对于C++，相关的文本位于§9.2/20（联合使用§9.2/19）。 - Mankarse

Answer 4

请尝试以下操作

struct Child
{
  int isChild1;
  u16 x, y;
  // other fields
};
...
Father *father_p;
if (*child_p).isChild1
   father_p = child_p;
else
   father_p = child_p - sizeof(struct Child);
(*father_p).x = ... // whatever you want to do with coordinates

你应该小心，不要传递一个没有包含在相应的父对象中的子对象，否则你将在father_p中得到一个虚假地址，可能会破坏你的内存。

- Michael Pankov

Answer 5

你有没有考虑过使用类似于 享元模式，而不是依赖于内存布局呢？

在Father中不要存储两个Childs，而是存储两个精简的BasicChilds（不包含x、y数据），并根据需要动态生成完整的Childs：

struct BasicChild
{
    float foo;
    float bar;
    void printPosition(int x, int y) {std::cout << x << "," << y << "\n";}
};

struct Child
{
    Child(BasicChild basicChild, int x, int y)
        : basicChild_(basicChild), x_(x), y_(y){}
    float foo() {return basicChild_.foo;}
    float bar() {return basicChild_.bar;}
    void printPosition() {basicChild_.printPosition(x_, y_);}

private:
    int x_, y_;
    BasicChild basicChild_;
};

struct Father
{
    Child child1() {return Child(child1_, x_, y_);}
    Child child2() {return Child(child2_, x_, y_);}

private:
    int x_, y_;
    BasicChild child1_;
    BasicChild child2_;
};

- Emile Cormier

Answer 6

如果您决定依赖于任何编译器特定的行为，那么最好的做法是为您所依赖的任何假设添加静态断言。这样，如果由于编译器升级、编译选项或代码中其他地方的编译指示而导致布局发生任何变化，您将立即在编译时得到通知，并且可以准确地了解问题所在。这将成为移植到其他平台的基础，如果有这个要求的话。

本文中的示例：static_assert是什么，你会用它做什么？

- Gaspode