구조체 멤버의 메모리 할당과 #pragma pack(1)

1.#pragma pack(1) 의미

먼저 알아야 할 것.

1) 구조체 멤버가 차지하고 있는 메모리를 alignment 하는 기능(뜻 : 데이터의 크기를 정해진 단위로 정렬한다)

CPU가 메모리에 접근할 때, 아래의 단위로 접근한다.

32비트 CPU --> 4바이트 단위

64비트 CPU --> 8바이트 단위

32비트 CPU에서, 4바이트보다 작은 데이터에 접근할 경우, 시프트 연산 때문에 속도 효율이 떨어진다.

따라서 구조체의 크기를 2, 4, 8, 16 바이트 단위로 alignment 한다.

단, 임의로 alignment 하면 안되는 경우 : 사진 파일 저장하는 경우, 네트워크 데이터 전송하는 경우 등

 

2) 구조체의 크기와 구조체 멤버의 크기

예를 들어 아래와 같은 구조체가 있을 때,

struct PacketHeader{

 char flag;

 int seq;

}

flag는 1바이트 일 것 같고, seq는 4바이트 일 것 같다.

하지만 구조체에서는 메모리 할당을 다르게 한다. 아래와 같이 할당 된다.

flag --> 4바이트

seq --> 4바이트

구조체 멤버 중에 제일 큰 멤버의 자료형 크기로 모든 멤버의 크기를 결정한다.

flag는 1바이트만 쓰므로, flag에 할당된 4바이트 중 나머지 3바이트는 자동으로 채워지게 되는데 이것을 패딩(padding)이라고 부른다. 아래 그림과 같다.

 

 

 

 

 

2) 클래스(구조체)의 바이트 패딩

멤버 변수를 메모리에서 CPU 레지스터로 한번에 읽을 수 있도록

CPU 레지스터의 읽기 블록에 맞춰 정렬하는 컴파일러의 최적화 작업

컴파일러가 패딩을 하지 않아 레지스터가 읽는 블록의 경계에 걸쳐 멤버 변수가 생긴다면

메모리를 읽을 때 두개의 블록을 읽어는 문제가 발생

CPU 레지스터는

32비트 운영체제일때 4바이트

64비트 운영체제일때 8바이트 단위로 메모리를 읽는다

구조체를 4바이트 단위로 끊어주는것을 "바이트 패딩" 이라고 한다.
 

구조체는 메모리에 어떤 식으로 저장될까
다음과 같은 소스를 보자.

 

1. #include <stdio.h>   
2.   
3. typedef struct _TEST{   
4.     char cData;   
5.     short sData;   
6.     int iData;   
7. }TEST;   
8.   
9. int main()   
10. {   
11.     TEST TData={0,};   
12.   
13.     printf("cData size : %d\n", sizeof(TData.cData));   
14.     printf("sData size : %d\n", sizeof(TData.sData));   
15.     printf("iData size : %d\n", sizeof(TData.iData));   
16.     printf("TData size : %d\n", sizeof(TData));   
17.        
18.     return 0;   
19. }  

TEST 구조체 변수인 TData는 char형 데이터(1byte), short형 데이터(2byte), int형 데이터(4byte)를 가지고 있으므로 1+2+4=7byte의 크기를 가질 것 처럼 보인다. 하지만 이 소스를 컴파일하고 실행을 해보면 다음과 같은 결과가  나온다.

분명히 cData(1) + sData(2) + iData(4) = 7임에도 불고하고 TData의 크기는 8바이트라고 하니 참 이상한 일이다.

이는 현재 우리가 쓰는 32비트 컴퓨터에서 32비트 컴파일러를 사용하였기 때문에 32비트 즉, 4바이트로 데이터를 처리하는 것에 가장 최적화되어 있기 때문에 데이터를 4바이트 공간으로 저장하기 때문이다.

이 TData란 구조체는 8바이트에 다음과 같이 저장되어 있다.

cData

??

sData

sData

iData

iData

iData

iData

cData를 저장하고, 4바이트중에 3바이트가 남아있기 때문에 sData를 3바이트 중에 2바이트의 공간에 저장하고,
iData를 저장하려 하니 1바이트밖에 남아있지 않기 때문에 4바이트의 공간을 따로 만들어 저장하게 되는 것이다.

그럼 이제 위의 소스에서 변수 선언의 순서를 한 번 바꿔 보자.

 

1. typedef struct _TEST{   
2.     char cData;   
3.     int iData;   
4.     short sData;   
5. }TEST;  

 

변수 선언의 순서를 바꿨을 뿐인데 신기하게도 같은 구조체의 크기가 8에서 12로 늘어나버렸다.
이 TData 구조체 변수는 다음과 같이 저장되어 있을 것이다.

cData (1byte)

empty (3byte)

sData (2byte)

empty (2byte)

iData (4byte)

이처럼 컴파일러는 4바이트에 맞춰서 데이터를 저장하는 것을 볼 수 있다. 이것을 막으려면 어떻게 해야할까.

이것을 해결하려면 #pragma pack() 이라는 전처리어를 사용하면 된다.
구조체 하나를 더 추가한 다음 소스를 보자.

 

1. #include <stdio.h>   
2.   
3. typedef struct _TEST{   
4.     char cData;   
5.     int iData;   
6.     short sData;   
7. }TEST;   
8.   
9. #pragma pack(1)   
10. typedef struct _TEST2{   
11.     char cData;   
12.     int iData;   
13.     short sData;   
14. }TEST2;   
15.   
16. int main()   
17. {   
18.     TEST TData={0,};   
19.     TEST2 TData2={0,};   
20.   
21.     printf("TData size : %d\n", sizeof(TData));   
22.     printf("TData2 size : %d\n", sizeof(TData2));   
23.        
24.     return 0;   
25. }  

 

#pragma pack(1)에서 1은 1바이트 단위로 저장하겠다는 것이다. 따라서 TData와 TData2의 내용물은 같으나 크기는 다른 것을 확인할 수 있다.

 그렇다면, 왜 모두 1바이트로 해서 메모리의 낭비가 없도록 하지 않는 것일까?
 그것은, 아까도 이야기하였듯이 32비트 CPU에서는 4바이트(32비트)의 단위로 데이터를 처리하는 것이 가장 빠르게 때문이다. 즉, #pragma pack(1) 이라고 선언해놓고 원래대로 돌려놓지 않는다면 속도저하의 문제가 생길 수 있다.
 따라서, 위의 소스에서 구조체 선언이 끝나는 부분에 #pragma pack(4)라고 선언해주어 할 것이다.

 하지만, 여기에도 문제가 있다.
 만약, 이 소스를 32비트의 PC가 아닌 다른 CPU가 장착된 장비에서 컴파일하게 된다면 어떻게 될 것인가. 예를 들면 임베디드 시스템 같은 8~16비트 CPU에서 말이다.
 소스를 일일히 찾아서 CPU에 맞게 고쳐주고 다시 컴파일해야 되는 불편함과 어려움이 생기게 된다.

 이럴때를 위해서 좀 더 우아하게 쓰는 코드가 있다.

 

1. #pragma pack(push, 1)   
2. typedef struct _TEST2{   
3.     char cData;   
4.     int iData;   
5.     short sData;   
6. }TEST2;   
7. #pragma pack(pop)  

 기존의 바이트를 스택에 push하고 1바이트 단위로 처리한다음 끝나는 부분에 원래의 바이트 단위를 pop해주는 코드이다. 보통은 이렇게 사용하면 되겠다.


 
아래와 같은 코드를 사용하면 구조체 크기는 1바이트가된다.

1. #pragma pack(push, 1)   
2. typedef struct DATA{   
3.     char cData;      
4. }DATA;   
5. #pragma pack(pop)