GCC中混合C++11与C++20编译是否合规？结构体大小异常问题

我在头文件中声明了结构体C，分别用-std=c++11和-std=c++20编译两个不同的编译单元，结果该结构体在两个单元中的sizeof值不同。请问这种混合不同C++标准版本编译代码的做法是否被允许？还是我的GCC使用方式有误？

补充信息：

• 使用的是同一版本GCC，未混用不同编译器版本；
• 代码中未使用不同标准下不兼容的特性；
• 仅使用了输出所需的标准库，问题并非源于此；
• 运行环境为Debian 11系统上的GCC 10.2.1 20210110（Debian 10.2.1-6，Buster版本），怀疑是该版本GCC存在bug。

问题复现代码 #

File 1.h

#ifndef DEF1
#define DEF1

#include "c.h"

void f1(C* c);
C* g1();
#endif

File 2.h

#ifndef DEF2
#define DEF2

#include "c.h"

void f2 (C* c);
C* g2();
#endif

File 1.cpp

#include "c.h"
#include <stdio.h>

void f1 (C* c)
{
  printf("sizeof(C)=%ld\n", sizeof(C));
  printf("i2=%d\n", c->i2);
  printf("&i2-&i1=%ld\n", ((char*)&c->i2) - ((char*)&c->i1));
}

C* g1()
{
  C* c = new C;
  c->i2 = 1;
  return c;
}

File 2.cpp

#include "c.h"
#include <stdio.h>

void f2 (C* c)
{
  printf("sizeof(C)=%ld\n", sizeof(C));
  printf("i2=%d\n", c->i2);
  printf("&i2-&i1=%ld\n", ((char*)&c->i2) - ((char*)&c->i1));
}

C* g2()
{
  C* c = new C;
  c->i2 = 2;
  return c;
}

File c.h

#ifndef CDEF
#define CDEF

#include <stdint.h>

struct A
{
    double d1{0.0};
    double d2{0.0};
    double d3{0.0};
    double d4{0.0};
    double d5{0.0};
    double d6{0.0};
    double d7{0.0};
    int32_t i1{};
};

#ifdef DER
struct C : public A
{
    int32_t i2{};
};
#else
struct C
{
    double d1{0.0};
    double d2{0.0};
    double d3{0.0};
    double d4{0.0};
    double d5{0.0};
    double d6{0.0};
    double d7{0.0};
    int32_t i1{};
    int32_t i2{};
};
#endif
#endif

File main.cpp

#include "c.h"
#include "1.h"
#include "2.h"

int main()
{
  f1(g2());
  f2(g1());
}

File bar.sh

g++ -std=c++20 -DDER -c 2.cpp
g++ -std=c++11 -DDER -c 1.cpp
g++ -std=c++20 -DDER -c main.cpp
g++ -std=c++20 2.o 1.o main.o -o prog
./prog

执行结果：

sizeof(C)=64
i2=0
&i2-&i1=4
sizeof(C)=72
i2=0
&i2-&i1=8

问题分析与解答 #

1. 混合不同C++标准版本编译属于未定义行为
   即使使用同一编译器的同一版本，跨编译单元混合不同C标准版本编译也是不安全的，不符合C标准的要求。因为不同C++标准可能会修改类型的内存布局规则，导致同一类型在不同编译单元中出现大小、成员偏移不一致的情况，进而引发内存访问错误，就像你遇到的i2值异常的问题。

2. 具体原因：C++20的尾填充复用特性
   你的案例中，结构体大小差异的根源是C++20新增的派生类成员复用基类尾填充的规则：

   • 基类A的内存布局：7个double（共56字节）+1个int32_t（4字节），总60字节。由于double的对齐要求是8字节，A会被填充到64字节（尾部有4字节的空闲填充空间）。
   • 在C++20中，派生类C的int32_t i2可以直接放入基类A的尾部填充空间，因此C的总大小保持为64字节。
   • 在C++11中，派生类成员无法复用基类的尾填充空间，i2必须放在A的后面，加上对齐要求（C的对齐标准与A一致为8字节），64+4=68字节会被填充到72字节。

3. 解决方案
   所有参与链接的编译单元必须使用相同的C++标准版本编译，确保同一类型的内存布局在整个程序中完全一致。修改你的编译脚本，统一使用-std=c++11或-std=c++20编译所有.cpp文件即可解决问题。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者SR_