严格的别名规则 uint8_t 缓冲区到结构

Question

假设我有一个 typedef，其位字段如下。

typedef struct VIN_oCAN01_3abd61be
{
   uint64_t var1:24;
   uint64_t var2:4;
   uint64_t var3:4
}__attribute__((packed))Message;

我收到uint8_t 缓冲区如下。

uint8_t buffer[4] = {0x1,0x2,0x3,0x14};

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目前在我的生产计划中，我的团队建议采用以下方法。

Message *ptrMsg = (Message *)buffer;

即把uint8_t缓冲区赋值给Message类型指针。 我曾建议建议的方法不遵循严格别名规则，而是我们应该按照以下方式进行。

Message msg;
memcpy(&msg,buffer, sizeof(msg));

请注意，没有将缓冲区复制到结构的选项 手动（逐个成员）因为结构非常大。

我的理解正确吗？如果可以，请提供标准文档，我可以用来证明我的观点。

Answer 1

我曾建议建议的方法不遵循严格的别名规则

正确。 ptrMsg = (Message *)buffer 表示你不能访问ptrMsg 的数据而不调用未定义的行为。

您可以使用 C17 6.5 §7 (cited here - What is the strict aliasing rule?) 来证明您的观点。像ptrMsg->var1 = value 这样的左值表达式不会通过与存储在那里的有效类型兼容的类型或任何允许的表达式来访问存储的值。

但是，您可以从 Message 转到 uint8_t 的数组（假设 uint8_t 是一个字符类型），而不会违反严格的别名。

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然而，更大的问题是首先存在位域，这是非标准且不可移植的。例如，您无法知道位域的哪一部分是 MSB 和 LSB。您无法知道 64 位类型中的位是如何对齐的。对位域使用 64 位类型是一种非标准扩展。它依赖于字节序。以此类推。

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假设 24 位指的是位 31 到 8（我们无法通过阅读您的代码知道），那么没有严格的别名违规、位字段疯狂和非标准“结构填充杀手”的正确代码将如下所示：

typedef union
{
   uint32_t var;
   uint8_t  bytes[4];
} Message;


uint8_t buffer[4];
Message* ptrMsg = (Message*)buffer;
uint32_t var1 = (ptrMsg->var >> 8);
uint8_t  var2 = (ptrMsg->var >> 4) & 0x0F;
uint8_t  var3 = (ptrMsg->var) & 0x0F;

Message 是“一种联合类型，其中包括上述类型之一 成员”。意味着它包含与uint8_t [4] 兼容的类型。

此代码也不包含复制，并且移位将被转换为机器代码中的相关位访问。

Answer 2

你是对的。

C17 草案第 6.5 节：

1. 一个对象的存储值只能由左值表达式访问，该左值表达式具有 以下类型：⁸⁹⁾

   • 与对象的有效类型兼容的类型，

   • 与对象的有效类型兼容的类型的限定版本，

   • 对象的有效类型对应的有符号或无符号类型，

   • 一种有符号或无符号类型，对应于有效版本的合格版本 对象的类型，

   • 在其成员中包含上述类型之一的聚合或联合类型 （递归地包括子聚合或包含联合的成员），或
   • 一种字符类型。

在这种情况下，对象的类型是uint8_t[]，左值表达式的类型是Message。上述例外均不适用。

在取消引用上使用memcpy 可以解决此问题，或者如果您想用非 C 语言编写，您可以在编译器中禁用严格别名。

但即使在此之后，代码也存在很多问题并且不可移植：位域在标准中的定义极差，整体结构在处理序列化方面非常笨拙。您应该选择手动反序列化每个成员。