Struct Padding

구조체(struct)는 사용자가 임의로 정의한 연관된 정보(변수)를 이름으로 묶은 것을 의미해요.

struct cat
{
	char* name;
	uint8_t age; 
};

 

그럼 20000 ( ◡̀_◡́)ᕤ

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사실 여기서 끝난다면 글을 작성하지 않았겠지만요!

 

위와 같이 구조체의 각 필드는 각각의 자료형을 갖으며

해당 자료형의 크기에 따라 구조체의 전체 크기 또한 커져요.

 

그렇다면 구조체가 메모리를 얼마나 점유하는지 계산해 볼까요?

#include <cstdint>
#include <iostream>

struct foo
{
	bool a; // 1 byte
	uint32_t b; // 4 byte
};

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 8
}

 

각 필드의 크기를 더하면 5(1 + 4)가  나오겠ㅈ..

어라? 어떤 이유에서인지 8이 출력되는 것을 확인할 수 있어요.

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운영체제는 메모리를 특정 크기의 단위로 읽는다는 사실 알고 계셨나요?

1 word
32bit OS	4 byte
64bit OS	8 byte

 

그럼 아래와 같은 구조체를 기준으로 설명을 해볼게요!

struct foo
{
	bool a; // 1 byte
	uint32_t b; // 4 byte
};

 

구조체 foo의 메모리 구조를 언뜻 생각해 보면 아래의 표와 같아요.

struct foo					?	?	?
a	b				?	?	?
1 word1 word				1 word
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

 

이때 a는 1 word를 사용해서 접근이 가능하지만 b는 2 word가 필요해요.

따라서 메모리의 효율성을 포기하는 대신 CPU의 읽기 명령 cycle을 줄이기 위해

다음과 같이 구조체에 추가하는 잉여 byte를 구조체 패딩(struct padding)이라고 불러요.

struct foo
a	padding			b
1 word				1 word
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

 

그렇다면 구조체의 필드 순서를 바꾼다면 어떻게 될까요?

#include <cstdint>
#include <iostream>

struct foo
{
	uint32_t b; // 4 byte
	bool a; // 1 byte
};

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 8
}

struct foo
b				a	padding
1 word				1 word
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

 

메모리는 효율적으로 사용하면서, 동시에 각 필드를 1 word만으로 사용해서 접근이 가능해ㅈ...

 

어라..?

 

사실 효율적으로 필드를 배열하더라도, 구조체 내부에 가장 큰 필드를 기준하는 메모리 정렬로 인해 패딩이 붙어요.

foo의 경우에는 가장 큰 필드인 b의 크기가 4이기 때문에 4N을 맞추기 위해 3 byte가 추가되는 걸 볼 수 있어요.

하지만 때로는 효율적으로 필드를 나열하면 메모리를 절약할 수 있는 경우도 있다는 사실 꼭 알아두세요!

#include <cstdint>
#include <iostream>

struct foo
{
	bool a; // 1 byte
	bool c; // 1 byte
	// padding: 2 byte
	uint32_t b; // 4 byte
};

struct bar
{
	bool a; // 1 byte
	// padding: 3 byte
	uint32_t b; // 4 byte
	bool c; // 1 byte
	// padding: 3 byte
};

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 8
	std::cout << alignof(foo) << std::endl; // 4
	std::cout << sizeof(bar) << std::endl; // 12
	std::cout << alignof(bar) << std::endl; // 4
}

 

32bit OS

struct foo
a	c	padding		b
1 word				1 word
alignment				alignment
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

struct bar
a	padding			b				c	padding
1 word				1 word				1 word
alignment				alignment				alignment
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

 

64bit OS

struct foo
a	c	padding		b
1 word
alignment				alignment
1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte	1 byte

struct bar

?

?

?

?

a

padding

b

c

padding

?

?

?

?

1 word

1 word

alignment

alignment

alignment

?

?

?

?

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

---

TIP) 만약 구조체의 메모리 정렬이 OS의 word와 일치한다면 효율이 높아져요.

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TIP) packed 지시문을 사용하면 패딩을 강제로 제거할 수 있어요. (GCC, Clang)

#include <cstdint>
#include <iostream>

struct __attribute__((packed)) foo
{
	bool a; // 1 byte
	uint32_t b; // 4 byte
	bool c; // 1 byte
};

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 6
	std::cout << alignof(foo) << std::endl; // 1
}

 

TIP) pack 전처리기를 사용하면 메모리 정렬을 2^N을 충족하는 임의의 값으로 강제할 수 있어요. (GCC, MSVC)

#include <cstdint>
#include <iostream>

#pragma pack(push, 1)
struct foo
{
	bool a; // 1 byte
	uint32_t b; // 4 byte
};
#pragma pack(pop)

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 5
	std::cout << alignof(foo) << std::endl; // 1
}

 

TIP) alignas 키워드를 사용하면 메모리 정렬을 2^N을 충족하는 임의의 값으로 강제할 수 있어요. (C++ 11 표준)

#include <cstdint>
#include <iostream>

struct alignas(1) foo
{
	bool a; // 1 byte
	// padding 3 byte
	uint32_t b; // 4 byte
};

int main()
{
	std::cout << sizeof(foo) << std::endl; // 8
	std::cout << alignof(foo) << std::endl; // 4
}

 

다만 보다시피 alignas 키워드는 컴파일러에 따라 지원하지 않아요... C++17 이상 부터는 정식으로 지원해요

Credits

Data structure alignment - Wikipedia