如何在没有未对齐模式的情况下访问打包结构中的变量？

Question

我正在使用打包结构通过直接 DMA 访问进行通信，这是我的测试代码：

// structure for communication buf 1
typedef __packed struct _test1
{
    uint8_t a;
    uint32_t b;
    uint16_t c;
    uint16_t d;
    uint32_t e;
} test1;

// structure for communication buf 2
.
.
.
// structure for communication buf 3
.
.
.

// structure for communication buf set
typedef __packed struct _test2
{
    uint8_t dump[3];
    test1 t;
    // may have many other packed structure for communication buf
} test2;

#pragma anon_unions

typedef struct _test3
{
    union
    {
        uint32_t buf[4];
        __packed struct
        {
            __packed uint8_t dump[3];
            test1 t;
        };
    };
} test3;

test1 t1;
test2 t2;
test3 t3;

这些结构的大小是

sizeof(t1) = 13
sizeof(t2) = 16
sizeof(t3) = 16

如果我想访问变量 b，为了不影响性能，需要对齐访问的读/写内存内容，并手动计算偏移量

t3.buf[1]

但如果不使用未对齐访问，我无法在结构中读取/写入变量

t2.t.b
t3.t.b

所以我定义了类似下面代码的结构，只打包变量a

typedef struct _test4
{
    __packed uint8_t a;
    uint32_t b;
    uint16_t c;
    uint16_t d;
    uint32_t e;
} test4;

typedef struct _test5
{
    __packed uint8_t dump[3];
    test4 t;
} test5;

test4 t4;
test5 t5;

虽然结构中所有元素的访问都是对齐的，但是填充也是插入的

sizeof(t4) = 16
sizeof(t5) = 20

那么我如何定义打包结构，并在不使用未对齐访问（a 除外）的情况下访问其中的单个变量？

非常感谢您的帮助

Answer 1

您的问题在一个问题的保护伞下引入了两个问题：

• 组件和/或设备之间的通信；这可能具有也可能不具有相同的结构和整数的底层表示，因此您使用不可移植的__packed 属性。
• 访问性能，受对齐和/或数据大小的影响；一方面，编译器将数据对齐以符合总线，但另一方面，数据可能会在缓存中占用过多空间。

其中一个是您要解决的实际问题 X，另一个是 your XY problem 中的 Y。以后请避免问XY问题。

您是否考虑过如何根据您的要求保证uint16_t 和uint32_t 是大端或小端？如果您关心可移植性，则需要指定这一点。我关心可移植性，所以这就是我的答案将重点关注的内容。您可能还会注意到如何获得最佳效率。尽管如此，为了便于携带：

• 您应该使用序列化函数对数据进行序列化，通过除法和模（或左移和二元和）操作。
• 同样，您应该通过逆操作乘法和加法（或右移和二进制或反序列化数据em>)。

例如，这里有一些代码同时显示 little endian 和 big endian 用于序列化和反序列化test1：

typedef /*__packed*/ struct test1
{
    uint32_t b;
    uint32_t e;
    uint16_t c;
    uint16_t d;
    uint8_t a;
} test1;

void serialise_test1(test1 *destination, void *source) {
    uint8_t *s = source;
    destination->a = s[0];
    destination->b = s[1] * 0x01000000UL
                   + s[2] * 0x00010000UL
                   + s[3] * 0x00000100UL
                   + s[4];                 /* big endian */
    destination->c = s[5] * 0x0100U
                   + s[6];                 /* big endian */
    destination->d = s[7]
                   + s[8] * 0x0100U;       /* little endian */
    destination->e = s[9]
                   + s[10] * 0x00000100UL
                   + s[11] * 0x00010000UL
                   + s[12] * 0x01000000UL; /* little endian */
}

void deserialise_test1(void *destination, test1 *source) {
    uint8_t temp[] = { source->a
                     , source->b >> 24, source->b >> 16
                                      , source->b >> 8, source->b
                     , source->c >> 8, source->c
                     , source->d, source->d >> 8
                                , source->d >> 16, source->b >> 24 };
    memcpy(destination, temp, sizeof temp);
}

---

您可能会注意到我删除了__packed 属性并重新排列了成员，因此较大的成员在前面（即在前面）较小的成员；这可能会显着减少填充。这些函数允许您在 uint8_t 数组（您从 wire 或 DMA 或诸如此类发送/接收）和您的 test1 结构之间进行转换，所以这段代码更可移植。您将从该代码提供的有关协议结构的保证中受益，而之前它是随心所欲的实现，并且使用两种不同实现的两个设备可能不同意关于协议的内部表示例如整数。

Answer 2

您可以对所有索引进行硬编码，例如

    typedef __packed struct _test1
    {
        uint8_t a;
        uint32_t b;
        uint16_t c;
        uint16_t d;
        uint32_t e;
    } test1;

    enum
    {
        a = 0,
        b = 1,
        c = 5,
        d = 7,
        e = 9,
    };

    test1 t1 = {1,2,3,4};//not sure if init lists work for packed values
    printf("%u", *(uint32_t*)((uint8_t*)&t1 + b));

或者offsetof可以这样使用

printf("%u", *(uint32_t*)((uint8_t*)&t1 + offsetof(test1, b)));