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。

我是否能保证编译器不会访问第二个字节，只要 和zFmt永远wFmt不会被访问？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！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，就像uint8_t移位和掩码一样。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）：

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• 内存位置可以是标量类型的对象，也可以是具有非零宽度的相邻位字段的最大序列。[注意：语言的各种功能，例如引用和虚拟函数，可能涉及\n程序无法访问但由实现管理的其他内存位置。\n\xe2\x80\x94 尾注] 两个或多个线程执行（6.9.2）可以访问单独的内存位置，而不会互相干扰。
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• [注意：因此，位字段和相邻的非位字段位于不同的内存位置，因此可以由两个执行线程同时更新而不会产生干扰。这同样适用于两个位域，\n如果一个位域是在嵌套结构声明内声明的，而另一个不是，或者如果这两个位域由零长度位域声明分隔，或者如果它们由非-位域声明。如果同一结构中的两个位域之间的所有域都是非零宽度的位域，那么同时更新这两个位域是不安全的。\xe2\x80\x94 尾注]
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struct {\n    char a;\n    int b:5,\n    c:11,\n    :0,\n    d:8;\n    struct {int ee:8;} e;\n}\n

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• [示例：声明为[上述]的类包含四个单独的内存位置：成员 a 以及位字段 d 和 e.ee 都是单独的内存位置，并且可以同时修改而不会相互干扰。位字段 b 和 c\n 一起构成第四个存储位置。位字段 b 和 c 不能同时修改，但例如 b 和 a 可以。\xe2\x80\x94结束示例]
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关于“两个或多个执行线程”访问单独的内存位置的注释使我相信以下内容：

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• 访问yFmt不会导致明显的副作用。正如 Nate 的评论所指出的，编译后的代码仍然可以加载并存储到它认为zFmt存在的位置，同时满足此要求。但是，如果访问必须是原子的并保留先前的值（只要程序拥有此内存），那么就只有一种可能的行为。（至于拥有内存的程序，只要原子指令在比程序可以拥有内存更精细地对齐的内存上工作，我相信情况就是如此，那么我很舒服地假设我不会导致访问冲突这边走。）
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除了结构的所有成员和位字段必须具有递增地址的规则之外，我相信这使我的用法得到了明确的定义，并进行了以下更改：

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struct Header {\n    uint8_t xFmt : 4;\n    uint8_t yFmt : 4;\n    uint8_t :0;\n    uint8_t zFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte\n    uint8_t wFmt : 4; // must not be read/written when header is mapped to 1 byte\n};\n\nstatic_assert( sizeof(Header) == 2 && alignof(Header) == 1, "");\n

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当然，并不是说它不容易导致程序员错误，但我相当确信这是明确定义的，至少目前是这样。

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