C語言中的結構體填充和打包

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什麼是C語言中的結構體填充？

C語言中的結構體填充是由CPU架構處理的過程。結構體填充在結構體中新增一定數量的空位元組，以便資料成員在記憶體中自然對齊。對齊要求由處理器架構決定，而不是由語言本身決定。當然，對齊要求會根據某個CPU架構的資料匯流排大小或其他架構方面的考慮而改變。

透過示例理解結構體填充

讓我們定義如下結構體型別：

struct struct1 {
   char x;
   int y;
   char z;
};

示例1

讓我們檢查這種型別變數所需的位元組大小：

#include <stdio.h>

struct struct1{
   char a;
   char b;
   int c;
};

int main(){

   printf("Size: %d", sizeof(struct struct1));  
   return 0;
}

輸出

執行此程式碼時，將產生以下輸出：

Size: 8

結果與預期相反。

考慮到char型別需要1個位元組，int型別需要4個位元組，人們可能會認為輸出應該是“1 + 1 + 4 = 6位元組”。

但是，CPU架構需要更改此結構。考慮到我們使用的是具有32位處理器的CPU，它一次讀取4個位元組，這意味著一個字等於4個位元組。

在一個CPU週期中，它訪問char "a"，然後是char "b"和int "c"的前兩個位元組。在第二個週期中，訪問其他兩個位元組。

即使我們只想讀取“c”，也需要兩個CPU週期。為此，CPU在儲存“c”值的位元組之前新增兩個空位元組。這種機制稱為填充。

現在解釋了我們上面獲得的結果，即結構體型別的尺寸為8位元組。

示例2

讓我們更改上述結構體成員的順序，並設定“b”和“c”的型別。

#include <stdio.h>

struct struct1{
   char a;
   int b;
   char c;
};

int main(){

   printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
   return 0;
}

輸出

執行程式碼並檢查其輸出：

size: 12

在第一個字的4個位元組中，第一個位元組分配給char "a"，後面跟著三個空位元組。

構成下一個字的接下來的4個位元組用於儲存int "b"。隨後，在接下來的4個位元組組中，只有一個用於“c”。但是，結構體大小為12。

什麼是C語言中的結構體打包？

另一方面，結構體打包是一種最小化填充影響的機制，從而嘗試減少浪費的記憶體空間。我們可以使用某些pragma指令和屬性來實現打包。

透過示例理解結構體打包

由CPU架構強制執行的填充是不可避免的，但是有一些方法可以最大限度地減少填充。可以使用以下方法：

• 使用 #pragma pack(1) 指令
• 使用 packed 屬性

使用 #pragma pack(1) 指令

#pragma pack(1) 預處理器指令強制編譯器忽略填充，並在記憶體分配過程中將結構體成員端對端對齊。

示例

讓我們將此指令新增到前面使用的程式碼頂部，並檢視結果：

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)

struct struct1{
   char a;
   int b;
   char c;
};

int main(){

   printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
   return 0;
}

輸出

執行程式碼並檢查其輸出：

size: 6

我們可以看到結構體填充已被避免，並減少了記憶體浪費。

使用 __attribute__((packed))

使用GCC，我們可以使用屬性來指定結構體和聯合體型別的各種特殊屬性。這些屬性是：aligned, deprecated, packed, transparent_union, unused 和 visibility。應用這些屬性的語法是“__attribute__ ((...))”。

示例

在這裡，我們將使用packed屬性在我們的結構體型別定義中。

#include <stdio.h>

struct __attribute__((packed)) struct1{
   char a;
   int b;
   char c;
};

int main(){

   printf("size: %d", sizeof(struct struct1));
   return 0;
}

輸出

執行程式碼並檢查其輸出：

size: 6

此方法也避免了填充的影響。