C语言 结构体填充（padding） 和 结构体打包（packing）

1、结构体填充（Padding）

结构体填充是编译器在结构体中插入额外的字节（填充字节）以确保结构体的成员变量能够对齐到它们的地址边界。这样做可以提高内存访问的速度，因为许多CPU在访问特定对齐边界的内存时速度更快。结构体中的每个成员变量通常会对齐到其自身大小的倍数边界上。例如，一个 int 类型（4字节）通常对齐到4字节边界。结构体的大小通常会对齐到其最大成员大小的倍数上。

#include <stdio.h>

struct Example {
    char a;      // 1字节
    int b;       // 4字节
    char c;      // 1字节
};

int main() {
    printf("Size of struct: %zu\n", sizeof(struct Example));
    return 0;
}

2、结构体打包（Packing）

结构体打包指的是通过禁用或减小填充，以最小化结构体的内存占用。打包在某些情况下可以节省内存，但可能导致不对齐的数据访问，从而降低访问速度甚至导致访问错误。在许多编译器中，可以使用编译指令或编译器特定的 pragma 来启用结构体打包。

#include <stdio.h>

#pragma pack(1)  // 设置结构体打包为1字节对齐

struct PackedExample {
    char a;      // 1字节
    int b;       // 4字节
    char c;      // 1字节
};

#pragma pack()  // 还原默认对齐方式

int main() {
    printf("Size of packed struct: %zu\n", sizeof(struct PackedExample));
    return 0;
}

3、结构体填充与打包的对比

结构体的填充（Padding）和打包（Packing）各有优缺点，根据不同的应用需求选择适当的方式非常重要。结构体填充是为了满足CPU的对齐要求，编译器会在结构体成员之间加入额外的填充字节，以保证每个成员的内存地址都符合对齐要求。这种方式通常会增大结构体的整体大小，但有助于提高访问速度。结构体打包通过取消或减少填充字节，结构体可以节省内存，但这可能会导致不对齐访问，进而影响性能，特别是在不支持不对齐访问的硬件上。通常在与外部系统数据结构对接时使用，例如文件结构或网络协议解析。

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

// 定义结构体，使用默认的填充
struct PaddedStruct {
    char a;        // 1 字节
    int b;         // 4 字节
    short c;       // 2 字节
};

// 使用 pragma 指令取消填充，进行打包
#pragma pack(push, 1)
struct PackedStruct {
    char a;        // 1 字节
    int b;         // 4 字节
    short c;       // 2 字节
};
#pragma pack(pop)

int main() {
    // 打印结构体大小，查看填充和打包的差异
    printf("Size of PaddedStruct: %zu bytes\n", sizeof(struct PaddedStruct));
    printf("Size of PackedStruct: %zu bytes\n", sizeof(struct PackedStruct));

    // 创建结构体变量并访问其成员
    struct PaddedStruct padded = {'A', 100, 50};
    struct PackedStruct packed = {'A', 100, 50};

    printf("\nPaddedStruct:\n");
    printf("a: %c, b: %d, c: %d\n", padded.a, padded.b, padded.c);

    printf("\nPackedStruct:\n");
    printf("a: %c, b: %d, c: %d\n", packed.a, packed.b, packed.c);

    return 0;
}

4、使用场景

结构体填充适合大多数情况，特别是对性能要求较高的场景，因为内存对齐能显著提高访问速度。

#include <stdio.h>

// 使用默认的结构体填充
struct PaddedStruct {
    char a;    // 1 字节
    int b;     // 4 字节
    short c;   // 2 字节
};

int main() {
    struct PaddedStruct padded = {'A', 100, 50};

    // 打印结构体大小和成员变量的地址，查看内存对齐
    printf("Size of PaddedStruct: %zu bytes\n", sizeof(struct PaddedStruct));
    printf("Address of a: %p\n", (void*)&padded.a);
    printf("Address of b: %p\n", (void*)&padded.b);
    printf("Address of c: %p\n", (void*)&padded.c);

    return 0;
}

结构体打包常用于与外部系统或硬件对接的数据结构，例如网络协议数据包结构、文件格式解析等。这些场景中，节省内存比访问速度更重要。

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

// 使用 #pragma pack 指令进行打包，取消填充
#pragma pack(push, 1)
struct PackedStruct {
    char a;    // 1 字节
    int b;     // 4 字节
    short c;   // 2 字节
};
#pragma pack(pop)

int main() {
    struct PackedStruct packed = {'A', 100, 50};

    // 打印结构体大小和成员变量的地址，查看打包后的内存布局
    printf("Size of PackedStruct: %zu bytes\n", sizeof(struct PackedStruct));
    printf("Address of a: %p\n", (void*)&packed.a);
    printf("Address of b: %p\n", (void*)&packed.b);
    printf("Address of c: %p\n", (void*)&packed.c);

    return 0;
}