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C 语言中的结构填充和打包

C 语言中的结构填充是什么?

C 语言中的结构填充是由 CPU 架构 处理的过程。结构填充会在结构中添加一定数量的空字节,以使数据成员在内存中自然对齐。对齐要求由处理器架构而非语言本身决定。当然,对齐要求会根据数据总线大小或特定 CPU 架构的其他架构考虑而变化。

通过示例理解结构体填充

我们定义一个结构体类型,如下所示 -

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

示例 1

我们检查一下此类型变量所需的字节数 -

#include <stdio.h>

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

int main(){

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

输出

运行此代码,将产生以下输出 -

Size:8

结果与预期相反。

考虑到 char 类型需要 1 个字节,而 int 类型需要 4 个字节,因此可能认为输出应为"1 + 1 + 4 = 6 个字节"。

结构填充

然而,CPU 架构需要改变此结构。考虑到我们使用的是 32 位 CPU,它一次读取 4 个字节,这意味着 1 个字等于 4 个字节。

在一个 CPU 周期内,它访问字符"a",然后是字符"b",以及 int"c"的前两个字节。在第二个周期内,它访问另外两个字节。

即使我们只想读取"c",也需要两个 CPU 周期。为此,CPU 会在存储"c"值的字节前添加两个空字节。这种机制称为填充。

结构填充

这解释了我们上面得到的结果,即结构体类型的大小为 8 个字节。

示例 2

让我们更改上述结构体类型中成员的顺序,并设置"b"的类型和"c"的类型。

#include <stdio.h>

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

int main(){

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

输出

运行代码并检查其输出 −

size: 12

在第一个字的 4 个字节中,第一个字节分配给了字符"a",后面跟着三个空字节。

构成下一个字的接下来 4 个字节用于存储 int"b"。随后,在接下来 4 个字节中,只有一个字节用于"c"。但是,结构体的大小为 12。

什么是 C 语言中的结构体打包?

另一方面,结构体打包是一种最小化填充影响的机制,从而尝试减少浪费的内存空间。我们可以使用某些指令和属性来实现打包。

通过示例理解结构打包

CPU 架构强制的填充是不可避免的,但是有一些方法可以最大限度地减少填充。可以使用 -

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

使用 #pragma pack(1) 指令

#pragma pack(1) 预处理指令强制编译器忽略填充,并在内存分配过程中将结构成员首尾对齐。

示例

让我们将此指令添加到之前使用的代码顶部,并查看结果 -

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

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

int main(){

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

运行代码并检查其输出 −

size: 6

我们可以看到,结构体填充已被避免,并减少了内存浪费。

使用 __attribute__((packed))

在 GCC 中,我们可以使用属性来指定结构体和联合类型的各种特殊属性。这些属性包括:aligned、deprecated、packed、transparent_union、unused 和 visibility。应用这些属性的语法为"__attribute__ ((...))"。

示例

在这里,我们将在结构体类型的定义中使用 packed 属性。

#include <stdio.h>

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

int main(){

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

运行代码并检查其输出 -

size: 6

此方法还可以避免填充的影响。