C 语言结构体填充和结构体打包的区别

在本文中，我们将讨论 C 语言中结构体填充 (Structure Padding) 和结构体打包 (Structure Packing) 之间的区别。结构体填充和结构体打包是 C 语言中数据在内存中对齐的概念。然而，这两者在技术上服务于不同的功能，因此具有不同的含义。

什么是结构体填充？

在 C 语言中，结构体填充 指的是编译器用来在内存中对齐结构体成员的技术。这样做主要是为了优化性能，因为许多 CPU 架构都针对对齐到特定字节边界的数据访问进行了优化。编译器会允许在成员之间插入额外的字节（填充），以确保它们的对齐约束得到满足，并使下一个成员在该内存上正确对齐。

关键点

C 语言结构体填充的几个要点如下：

• 内存对齐： 通常，对于许多处理器来说，数据访问会更快，尤其是那些设计为读取对齐到特定字节边界（例如 4 字节或 8 字节）数据的处理器。所有填充都确保结构体的每个成员都根据数据类型的特定对齐要求进行对齐。
• 填充机制： 当定义一个结构体时，编译器会允许在成员之间或结构体末尾插入填充字节，以确保每个成员都正确对齐。
• 对内存使用的影响： 结构体填充可能导致内存使用增加，这使得结构体的大小大于其成员的总和。

结构体填充的优点

C 语言结构体填充的几个优点如下：

• 提高访问速度： CPU 读取对齐数据通常更快。因此，未对齐的访问通常会增加访问的周期数，从而影响性能。
• 兼容性： 大多数硬件架构都有严格的对齐约束。填充有助于使结构体符合此类要求，从而防止在加载/存储操作中访问成员失败。
• 简单的代码生成： 对齐确保在代码生成中，编译器可以针对相应的数据类型生成简单高效的代码，而无需创建任何代码来处理未对齐的访问。

结构体填充的缺点

C 语言结构体填充的几个缺点如下：

• 内存使用效率低下： 填充的存在会增加结构体的实际大小，使其大于没有填充的结构体所需的大小，从而浪费内存，尤其是在使用许多较小的结构体时。

什么是结构体打包？

结构体打包 是一种控制结构体成员对齐的方式，通常旨在使其在内存使用上更经济。打包可以通过指示编译器将结构体成员紧密地打包在一起，而无需填充来实现，从而实现更紧凑的数据表示。这通常是通过某种形式的编译器指令或属性来实现的，该指令告诉编译器打包这些成员，或者通过其他机制来精确控制编译器如何进行对齐。

关键点

C 语言结构体打包的几个要点如下：

• 编译器指令： 打包可以通过特定编译器的指令实现（例如，Microsoft 编译器中的 #pragma pack，GCC 中的 __attribute__((packed))）。它阻止编译器添加填充，并以尽可能小的数据填充内存。
• 权衡： 打包节省内存，但在某些架构上可能由于未对齐访问而导致性能下降，这可能需要额外的指令来读取或写入数据。

结构体打包的好处

C 语言结构体打包的几个好处如下：

• 减少内存需求： 结构体打包有效地利用了有限的资源，节省了大量内存，这对于嵌入式系统来说是一个优势。
• 更好的序列化： 打包的结构体通常更容易进行序列化，并在网络上传输或存储到磁盘，因为它们占用的空间更少，并且布局可预测。
• 控制内存布局： 对组织内存中的数据有更高的控制级别，这对于与硬件或二进制协议交互至关重要。

结构体打包的缺点

C 语言结构体填充的几个缺点如下：

• 性能下降： 由于打包结构体可能存在未对齐的情况，我们可能会产生性能开销。根据系统架构，CPU 有时需要读取或写入未对齐的数据，每次都会消耗额外的周期。
• 可移植性问题： 如果打包结构体根据编译器或架构的不同而具有不同的默认对齐要求，这可能会在跨平台使用打包结构体时产生不一致，从而导致问题。
• 代码复杂性： 打包指令的指定可能会降低代码的可读性和可维护性，尤其是对于不熟悉特定编译器选项的开发人员来说。

C 语言结构体填充与结构体打包之间的主要区别

C 语言结构体填充与结构体打包之间的主要区别如下：

结论

总而言之，结构体填充 和 结构体打包 是 C 语言编程中的重要概念，它们涉及内存效率和性能的权衡。填充的选择基于 CPU 的最佳性能输出，它将结构体的成员对齐到系统架构的自然边界，从而实现更快的内存访问并增加内存使用。然而，打包则相反。它会移除结构体成员中不必要的填充字节，以节省空间并压缩结构体，尽管由于未对齐，访问速度可能会变慢。因此，打包适用于需要最佳内存使用的情况。了解何时应实践这些技术将极大地改进系统设计和编程。