C语言如何打包数组中的结构体并消除零填充？

问题根源 #

你遇到的现象是C语言的标准特性导致的：

• 即使添加了__attribute__((packed))属性，结构体的最小占用大小始终为1字节，小于1字节的位域组合会被填充到1字节对齐
• 数组元素之间确实不存在填充，但因为你的单个data_struct大小已经是1字节，所以数组每个元素占1字节，4个元素总大小为4字节，你拿到的0x0F0F就是前两个元素的低4位有效、高4位填0的结果

注意：位域的内存布局和编译器、CPU端序强相关，如果需要跨平台兼容的打包格式，建议优先使用手动位操作的方案2，稳定性更高。

可行解决方案 #

方案1：固定数量元素打包（适配你当前需要4个元素凑16位的场景） #

直接把4组位域合并到同一个结构体中，就可以消除结构体之间的填充，代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <string.h>

int main() {
    // 把4组4位的位域放在同一个结构体里，总大小刚好16位
    struct packed_4elem {
        unsigned a0:1; unsigned b0:3;
        unsigned a1:1; unsigned b1:3;
        unsigned a2:1; unsigned b2:3;
        unsigned a3:1; unsigned b3:3;
    } __attribute__((packed));

    union {
        struct packed_4elem data;
        uint16_t data_uint;
    } union_data;

    memset(&union_data.data_uint, 0, sizeof(union_data.data_uint));
    // 批量赋值
    union_data.data.a0 = 1; union_data.data.b0 =7;
    union_data.data.a1 = 1; union_data.data.b1 =7;
    union_data.data.a2 = 1; union_data.data.b2 =7;
    union_data.data.a3 = 1; union_data.data.b3 =7;

    printf("union_data = 0x%04X\n", union_data.data_uint); // 输出为0xFFFF
    return 0;
}

方案2：变长数组手动位操作（适配任意长度的4位元素场景） #

如果需要使用更长的、元素数量不固定的4位元素数组，直接用字节数组存储，手动封装位读写逻辑即可，不需要用结构体：

// 读取第n个元素的a字段
#define GET_A(buf, n) (((buf)[(n)/2] >> (4*((n)%2))) & 0x1)
// 读取第n个元素的b字段
#define GET_B(buf, n) (((buf)[(n)/2] >> (4*((n)%2) + 1)) & 0x7)
// 写入第n个元素的a和b字段
#define SET_AB(buf, n, a, b) do { \
    (buf)[(n)/2] &= ~(0xF << (4*((n)%2))); \
    (buf)[(n)/2] |= (((a) & 0x1) | ((b & 0x7) << 1)) << (4*((n)%2)); \
} while(0)

内容的提问来源于stack exchange，提问作者HennyKo