DWARF信息中DIE显示结构体字段内存重叠，原因何在？

测试代码 #

struct all_t {
    unsigned a:13;
    char b;
};

struct all_t all;

int main(int argc, char* argv[]) {

    all.b = 3;
    all.a = 0xf;

    printf("%d\n", all.a);
    printf("%d\n", all.b);
    printf("%u\n", sizeof(all));

    return 0;
}

编译命令 #

gcc -O0 -g test.c -o test.elf

成员'a'的DIE信息 #

DIE DW_TAG_member, size=13, has_children=False
    |DW_AT_name        :  AttributeValue(name='DW_AT_name', form='DW_FORM_string', value=b'a', raw_value=b'a', offset=134)
    |DW_AT_decl_file   :  AttributeValue(name='DW_AT_decl_file', form='DW_FORM_data1', value=1, raw_value=1, offset=136)
    |DW_AT_decl_line   :  AttributeValue(name='DW_AT_decl_line', form='DW_FORM_data1', value=43, raw_value=43, offset=137)
    |DW_AT_type        :  AttributeValue(name='DW_AT_type', form='DW_FORM_ref4', value=66, raw_value=66, offset=138)
    |DW_AT_byte_size   :  AttributeValue(name='DW_AT_byte_size', form='DW_FORM_data1', value=4, raw_value=4, offset=142)
    |DW_AT_bit_size    :  AttributeValue(name='DW_AT_bit_size', form='DW_FORM_data1', value=13, raw_value=13, offset=143)
    |DW_AT_bit_offset  :  AttributeValue(name='DW_AT_bit_offset', form='DW_FORM_data1', value=19, raw_value=19, offset=144)
    |DW_AT_data_member_location:  AttributeValue(name='DW_AT_data_member_location', form='DW_FORM_data1', value=0, raw_value=0, offset=145)

成员'b'的DIE信息 #

DIE DW_TAG_member, size=10, has_children=False
    |DW_AT_name        :  AttributeValue(name='DW_AT_name', form='DW_FORM_string', value=b'b', raw_value=b'b', offset=147)
    |DW_AT_decl_file   :  AttributeValue(name='DW_AT_decl_file', form='DW_FORM_data1', value=1, raw_value=1, offset=149)
    |DW_AT_decl_line   :  AttributeValue(name='DW_AT_decl_line', form='DW_FORM_data1', value=44, raw_value=44, offset=150)
    |DW_AT_type        :  AttributeValue(name='DW_AT_type', form='DW_FORM_ref4', value=114, raw_value=114, offset=151)
    |DW_AT_data_member_location:  AttributeValue(name='DW_AT_data_member_location', form='DW_FORM_data1', value=2, raw_value=2, offset=155)

重叠原因分析 #

从DWARF信息可明确：

• 位字段a占据结构体偏移0字节开始的4字节空间，覆盖第19位到第31位（共13位）
• 普通字段b占据结构体偏移2字节处的1字节空间，覆盖第16位到第23位

两者在第19-23位存在重叠，这是编译器的实现定义行为，核心逻辑如下：

1. 位字段的存储单元规则
   位字段a的基础类型是unsigned，在32位系统中默认占4字节。编译器会为其分配完整的4字节存储单元，即使它仅使用13位。

2. 普通字段的对齐策略
   char类型的对齐要求为1字节，无需强制对齐到4字节边界。编译器为节省内存，直接将b放入a所在的4字节存储单元的剩余空间（偏移2字节处），而非重新分配新的存储单元。

3. 重叠的必然性
   a的位偏移19位对应4字节单元的第2字节第3位，而b占据第2字节的全部8位，自然会与a的前5位产生重叠。

实际运行影响 #

运行程序后会发现，两个字段的重叠区域会被互相覆盖：

• 先给b赋值3（二进制00000011），再给a赋值0xf（二进制1111），a的低5位会覆盖b的后3位，最终b的值会变为0（具体结果取决于端序，但核心是重叠区域数据会被覆盖）。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者so.very.tired