C++。不同平台上的结构填充/对齐和布局兼容性的原子检查

Question

我已将嵌入式设备连接到 PC 以及一些具有许多自定义类型 FixedPoint_t 的字段和数组的大型结构 S。 FixedPoint_t 是一个模板化的 POD 类，它只有一个数据成员，其大小根据模板参数从 char 到 long 不等。无论如何它通过了static_assert((std::is_pod<FixedPoint_t<0,8,8> >::value == true),"");

如果这个大结构在嵌入式系统和控制 PC 上都具有兼容的底层内存表示，那就太好了。这允许将通信协议显着简化为诸如“将具有偏移 N 的字/字节设置为值 V”之类的命令。假设两个平台上的字节顺序相同。

我在这里看到了 3 个解决方案：

1. 使用像 #pragma 这样的东西在两边都打包。 但是当我将 attribute((packed)) 放入 struct S 声明时收到警告 警告：由于未打包的非 POD 字段而忽略打包属性。 这是因为 FixedPoint_t 未声明为 packed。 我不想将它声明为打包，因为这种类型在整个程序中被广泛使用，打包会导致性能下降。

2. 进行正确的结构序列化。这是不可接受的，因为代码膨胀，额外的 RAM 使用...协议会更复杂，因为我需要随机访问结构。现在我认为这不是一个选择。

3. 手动控制填充。我可以添加一些字段，重新排序其他字段......只是为了在两个平台上都没有填充。这会让我暂时满意。但是我需要一个好的方法来编写一个测试来显示我是否存在填充。 我可以将 sizeof() 每个字段的总和与 sizeof(struct) 进行比较。 我可以比较两个平台上的每个结构字段的 offsetof()。 两种变体都够丑的……

你有什么推荐的？特别是我对测试中的手动填充控制和自动填充检测感兴趣。

编辑： 在两个平台上比较 sizeof(big struct) 是否足以检测布局兼容性（假设字节序相等）？如果填充不同，我认为大小不应该匹配。

EDIT2：

//this struct should have padding on 32bit machine
//and has no padding on 8bit
typedef struct
{
    uint8_t f8;
    uint32_t f32;
    uint8_t arr[5];
} serialize_me_t;

//count of members in struct
#define SERTABLE_LEN    3 

//one table entry for each serialize_me_t data member
static const struct {
    size_t width;
    size_t offset;
//    size_t cnt;  //why we need cnt?
} ser_des_table[SERTABLE_LEN] =
    {
        { sizeof(serialize_me_t::f8), offsetof(serialize_me_t, f8)},
        { sizeof(serialize_me_t::f32), offsetof(serialize_me_t, f32)},
        { sizeof(serialize_me_t::arr), offsetof(serialize_me_t, arr)},
    };

void serialize(void* serialize_me_ptr, char* buf)
{
    const char* struct_ptr = (const char*)serialize_me_ptr;
    for(int i=0; i<SERTABLE_LEN; I++)
    {   
        struct_ptr += ser_des_table[i].offset;
        memcpy(buf, struct_ptr, ser_des_table[i].width );        
        buf += ser_des_table[i].width;
    }
}

Answer 1

我强烈建议使用选项 2：

• 您可以随时进行更改（新的 PCD/ABI、编译器、平台等）
• 如果经过深思熟虑，可以将代码膨胀控制在最低限度。每个方向只需要一个函数。
• 您可以（半）自动创建所需的表/代码（我使用 Python）。这样双方将保持同步。
• 无论如何，您绝对应该为数据添加 CRC。由于您可能不想在 rx/tx 中断中计算此值，因此无论如何您都必须提供一个数组。
• 直接使用结构将很快成为维护的噩梦。如果其他人必须跟踪此代码，那就更糟了。
• 协议等倾向于重复使用。如果它是一个具有不同字节顺序的平台，那么另一种方法就很适用了。

要创建数据结构和 ser/des 表，您可以使用offsetof 来获取结构中每种类型的偏移量。如果该表是一个包含文件，它可以在双方使用。您甚至可以创建结构和表，例如通过 Python 脚本。将其添加到构建过程可确保它始终是最新的，并且您可以避免额外的输入。

例如（在 C 中，只是为了了解一下）：

// protocol.inc

typedef struct {
    uint32_t i;
    uint 16_t s[5];
    uint32_t j;
} ProtocolType;

static const struct {
    size_t width;
    size_t offset;
    size_t cnt;
} ser_des_table[] = {
    { sizeof(ProtocolType.i), offsetof(ProtocolType.i), 1 },
    { sizeof(ProtocolType.s[0]), offsetof(ProtocolType.s), 5 },
    ...
};

如果不是自动创建，我会使用宏来生成数据。可能通过包含文件两次：一次生成结构定义，另一次用于表。这可以通过重新定义中间的宏来实现。

您应该关心有符号整数和浮点数的表示（定义的实现，浮点数可能是标准提议的 IEEE754）。

作为width 字段的替代方案，您可以使用“类型”代码（例如映射到实现定义类型的char。这样您可以添加具有相同宽度但编码不同的自定义类型（例如 uint32_t 和 IEEE754-float）。这将从物理机器中完全抽象出网络协议编码（最佳解决方案）。注意注意会阻碍您使用不会使代码复杂化的常见编码（字面意思）。