防止GCC在结构体联合中重新排列位域

Question

有如下代码：

typedef union
{
    struct bits
    {
        uint32_t bit0 : 1;
        uint32_t bit1 : 1;
        uint32_t bit2 : 1;
        ...
        ...
        uint32_t bit14 : 1;
    }

    uint32_t value;

} MyUnion;

重要的是防止编译器重新排序位域，否则value的值将根据平台和可能甚至是已编译二进制文件的大小而变化。

是否有办法告诉编译器“不要重新排序这些字段”？

将类型为MyUnion的变量声明为volatile是否可以实现此目的？

如果union是packed和aligned(4)，如果您100％确定将始终使用相同字节序的32位平台是否有可能确保位域不会重新排序？

编辑

以上内容是否只能针对一个特定的编译器进行？也就是说，是否不需要在不同的编译器之间具有兼容性。

- Dan

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即使没有重新排序，也无法防止“value”发生更改。 - Dan M.

简短的回答是：没有。 - Sam Varshavchik

是的，这是不可能的。但如果你始终使用相同字节序的32位平台，则位顺序不应更改。我找到了一篇关于位域的好文章：http://jkz.wtf/bit-field-packing-in-gcc-and-clang - Cactus'as

如果你需要强制规定比特的确切顺序和排列方式，那么位域(bitfields)不是合适的工具。你可以花时间尝试各种编译器扩展来摆弄，但最终你仍会感到不确定而且没有保证，我认为这会比它值得的麻烦得多。相反，如果你需要强制规定比特的确切顺序和排列方式，那就硬着头皮使用 "unsigned int" 并结合一些显式的掩码(masking)和移位(shifting)技巧。位域看起来很有诱惑力，但是，就像黄铁矿一样。 - Steve Summit

@Dan，包含union对所包含的struct中位域的顺序没有任何影响。位域在其底层存储单元（在您的情况下为uint32_t）中分配的方向是由实现定义的。 - Ian Abbott

Answer 1

我想评论中已经给出了总体的否定答案。在这个答案中，我想回答你关于volatile的问题:

声明MyUnion为volatile并不能实现你想要的行为。另外，你不能将union声明为volatile。它是一个变量声明的修饰符。它告诉编译器变量的值可以随时改变，因此应该始终重新加载值(从内存中重新读取)，而不是基于编译器之前看到的语句假设值。

这用于当变量值可能会因外部因素而改变时，例如声明与真实物理值(如微控制器中的寄存器)相关联的变量时。

- Joel Bodenmann

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“无法将联合声明为volatile” - 这是什么意思？具有联合类型的变量可以是volatile。typedef可以是union和volatile。我认为您会惊讶地发现，您可以在typedef中包含volatile和例如const，例如typedef union { int a; } volatile MyUnion;。 - KamilCuk

是的，你说得对，在这种情况下，类型声明（在本例中为union）当然不能是易失性的。但是我指的是类型为MyUnion的变量（我写错了），而不是union本身。现在已经修正了。 - Dan

联合体可以声明为volatile。typedef union foo { int x; float y; } Foo; typedef volatile Foo VolatileFoo; 是有效的C代码，它定义了VolatileFoo作为一个volatile联合类型。此外，在这些语句之后，Foo Convert(VolatileFoo *x) { return x; }会产生编译器消息，显示类型不兼容，表明编译器知道x指向的是一个volatile联合，而不仅仅是一个联合，从而证明volatile是类型VolatileFoo的一部分。 - Eric Postpischil