位域中的字节对齐疑问：为何uint16_t位域无需字节对齐

先看cppreference上的示例代码：

#include <bit>
#include <cstdint>
#include <iostream>
 
struct S
{
    // 通常占用2字节:
    unsigned char b1 : 3; // 第1字节的前3位是b1
    unsigned char    : 2; // 第1字节接下来2位是未使用的占位
    unsigned char b2 : 6; // b2需要6位，装不下第1字节剩余空间，所以从第2字节开始
    unsigned char b3 : 2; // b3占第2字节的最后2位
};
 
int main()
{
    std::cout << sizeof(S) << '\n'; // 通常输出2
 
    S s;
    // 设置可区分的位域值
    s.b1 = 0b111;
    s.b2 = 0b101111;
    s.b3 = 0b11;
 
    // 显示S中位域的布局
    auto i = std::bit_cast<std::uint16_t>(s);
    // 通常输出1110000011110111
    // 拆分后:  \_/\/\_/\____/\/
    //          b1 u a   b2  b3
    // 其中"u"是结构体里声明的:2未使用位，"a"是编译器为对齐添加的填充位
    // 对齐是因为b2的类型是unsigned char；如果b2改成uint16_t，就没有"a"，b2会直接衔接"u"
    for (auto b = i; b; b >>= 1) // 从最低位开始打印
        std::cout << (b & 1);
    std::cout << '\n';
}

差异产生的核心原因 #

本质是位域的“内存分配单元”由它声明时用的基础类型决定，同时要满足该基础类型的对齐规则：

• 当b2的基础类型是unsigned char时：
  它的分配单元是1字节（8位）。第一个字节里，b1占3位，未用位占2位，剩余3位——但b2需要6位，装不下这3位的剩余空间。按照规则，必须为b2新开一个符合unsigned char对齐要求的分配单元（也就是下一个字节），第一个字节剩下的3位就变成了编译器自动添加的填充位（示例里的"a"）。
• 当把b2改成uint16_t类型时：
  它的分配单元是2字节（16位）。这时候，第一个字节剩余的3位可以和后面的字节合并成一个完整的16位分配单元，用来容纳b2的6位——因为uint16_t的分配单元允许跨原字节边界，只要整体是2字节的单元。所以b2可以直接衔接第一个字节里的未用位，不需要额外填充，把剩余空间利用起来。

简单说：不同基础类型的位域，有不同的“内存块大小”和对齐要求，编译器会严格按照这个规则来分配位域的位置，这就导致了两种情况下的布局差异。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Eric Auld