C语言字节对齐关键字#pragma pack(n)的使用

news2024/9/25 7:23:08

0 前言

在进行嵌入式开发的过程中，我们经常会见到对齐操作。这些对齐操作有些是为了便于实现指针操作，有些是为了加速对内存的访问。因此，学习如何使用对齐关键字是对于嵌入式开发是很有必要的。

1 对齐规则

1.0 什么叫做对齐

众所周知，内存的最小单位是字节。理论上，CPU可以访问内存上任意地址的数据，但实际上数据在内存中的分布并不是随意的，它们往往会遵循一定的对齐规则，使CPU访问这些数据的速度提升。
对齐实际上就是将变量存储的首地址按照1、2、4、8字节对齐，如果按照2字节对齐则变量在内存中的首地址必须是2的倍数，其它字节对齐方式也是如此。

1.1 默认的对齐方式

根据使用处理器、编译器的不同，变量在内存中的地址对齐方式不同。例如常见的STM32默认4字节对齐，本文使用的x64+vscode环境默认8字节对齐。

1.2 关键字#pragma pack(n)介绍

#pragma pack(n)
#pragma pack()

（1）#pragma pack(n)：按照n字节对齐
（2）#pragma pack()：取消自定义对齐方式，恢复默认对齐方式

1.3 结构体/联合体数据成员对齐规则

结构体/联合体数据的第1个成员后面的成员按照#pragma pack指定的对齐方式和成员占用字节大小进行处理，分为以下3种情况：
（1）成员占用字节大小比#pragma pack指定的字节对齐大小要小，按照成员字节占用大小对齐（去找到上一个成员占用内存区域之后首个满足要求的地址）
（2）成员占用字节大小比#pragma pack指定的字节对齐大小要大，按照#pragma pack指定的字节对齐大小对齐（去找到上一个成员占用内存区域之后首个满足要求的地址）
（3）成员占用字节大小和#pragma pack指定的字节对齐大小一致，按照#pragma pack指定的字节对齐大小对齐（去找到上一个成员占用内存区域之后首个满足要求的地址）

1.4 结构体/联合体自身对齐规则

前面我们了解到了结构体/联合体数据成员对齐规则，为了保证结构体所有成员在内存上的分布都是符合对齐原则的，我们必须也要设置结构体/联合体的首地址到合适的值。规则如下：
（1）最大的成员占用字节大小比#pragma pack指定的字节对齐大小要小，按照最大的成员占用字节大小对齐
（2）最大的成员占用字节大小比#pragma pack指定的字节对齐大小要大，按照#pragma pack占指定的字节大小对齐
（3）最大的成员占用字节大小和#pragma pack指定的字节对齐大小一致，按照#pragma pack占指定的字节大小对齐
按照上述方法操作后，结合1.3的数据成员对齐规则，我们很容易实现每个成员在内存中按照指定的对齐方式实现对齐。

2 实例测试

2.1 结构体成员默认的对齐方式

测试说明：
这里使用的是64位电脑，经过vscode后默认的对齐方式为按8字节对齐。
示例程序：

#include "stdio.h"

typedef struct
{
    unsigned char a;
    unsigned short int b;
    unsigned int c;
    double d;
} test_t;
test_t test;
int main(void)
{
    printf("a addr : 0x%x\r\n", &test.a);
    printf("b addr : 0x%x\r\n", &test.b);
    printf("c addr : 0x%x\r\n", &test.c);
    printf("d addr : 0x%x\r\n", &test.d);
    return 0;
}

我们这里定义了1个名为test_t的结构体，成员a、b、c、d的大小分别为1、2、4、8字节。在不做任何对齐操作下，打印a、b、c、d在内存上的地址：
在这里插入图片描述

可以看到，成员在结构体的分布对齐方式分别是1、2、4、8字节，同时结构体首地址也就是成员a的地址是按照8字节对齐的。它们在内存中的分布可以用如下示意图表示：
在这里插入图片描述

2.2 设置结构体成员按照1字节对齐

测试说明：
这里使用的是64位电脑，经过vscode后默认的对齐方式为按8字节对齐。
示例程序：

#include "stdio.h"

#pragma pack(1)
typedef struct
{
    unsigned char a;
    unsigned short int b;
    unsigned int c;
    double d;
} test_t;
test_t test;
#pragma pack()
int main(void)
{
    printf("a addr : 0x%x\r\n", &test.a);
    printf("b addr : 0x%x\r\n", &test.b);
    printf("c addr : 0x%x\r\n", &test.c);
    printf("d addr : 0x%x\r\n", &test.d);
    return 0;
}