结构体中的字节对齐和紧凑打包

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Nov 20, 2024
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c/c++
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网上很多字节对齐的介绍，这里就不写了，简单来说就是通过多补充字节来提高系统读取内存时的效率，编译器一般会对结构体进行对齐，32位程序是4字节，64位系统是8字节，以下的一些例子都使用Clang 14.0编译64位程序。
 
比如这样的结构体
所有元素的总大小是15字节，但是sizeof的输出24字节。原因是在8字节对齐的情况下，变量a之后会补充1个字节和b对齐，然后b之后再补充4个字节，让a+b总大小达到8字节，这样和变量c对齐了，变量d由于只有4个字节，也需要再补充4个字节变成8字节，这样最后的实际总大小就是1+1+2+4+8+4+4=24字节。打印b和c的结构体偏移量
offset b:2 offset c:8
b的偏移量2，c的偏移量是8。可以看到编译器帮我们完成了字节对齐，但是结构体的大小增大了一大半，实际上15个字节，按照8字节对齐，补充1个字节就好了，调整原始的结构体变量顺序
可以看到把占地最大的变量放到最上面之后，可以避免无效的字节补齐，一定程度上节省了内存。
 
如果完全不想要结构体对齐呢，有两个编译器设置
  1. __attribute__((packed))
      2. 关闭编译器的字节对齐，相当于1字节对齐了，结构体的的总大小就是各个元素大小总和。
  1. __attribute__((aligned(n)))
      2. 显时设置n字节对齐，如果结构体中存在大于n的变量，则会以最大的这个大小进行对齐。
       
修改最开始的结构体，然后打印结构体大小
PackedExample 的大小现在就是只有15字节，不会有任何的优化。
Aligned4Example 的大小仍然是24，因为虽然是4字节，但是最长的c变量长度是8字节，所以最终还是按照8字节对齐。
PackedAndAligned4Example 做了一点修改，删掉了最后的变量d，可以看到a，b变量之后都没有补充字节，但是在最后变量之后，由于需要对齐到4字节，所以补充了1字节，让最终的总大小变成12。
所以当两个attribute同时使用时，只会在结构体的末尾根据设置的字节进行对齐补充，这是和只有对齐时的区别。
 
也可以使用#pragma预编译指令，具体使用方法是
通过#pragma pack(n) 表示需要编译器对宏范围内的结构体进行n字节对齐#pragma packed() 作为结束，打印修改后的结构体大小和偏移量
size:12 offset b:2 offset c:4
可以看到总大小是12，只补充了1个字节，但是会发现和PackedAndAligned4Example 的最大区别在于对结构体成员的处理，PackedAndAligned4Example 中的成员之后不会补充字节，这个例子中仍然是在变量a之后补充了一个字节，这样前一个成员始终对齐了后一个成员的大小，并且这个成员补齐后的最终大小不会大于n。

总结

编译器默认会根据目标平台对结构体进行字节对齐，这会让结构体的实际大小更大，所以在设计结构体的时候，需要考虑好这一点，避免无意义的结构体增大，也提供了不同的编译器设置来显式控制对齐
  1. __attribute__((packed))
      2. 不对结构体进行字节对齐
  1. __attribute__((aligned(n)))
      2. 显式指定结构体对齐的字节大小，但是会受结构体中最大成员的影响，同时在和__attribute__((packed)) 一起使用时，只会在结构体末尾补充字节
  1. #pragma pack(n) 和#pragma packed
      2. 显式指定结构体对齐的字节数，并且不会受最大大小成员的影响，并且补充字节的规则和默认情况一样，会在每个有需要的成员之后补充。

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