[C언어 코딩 도장] Unit 51. 구조체 멤버 정렬 사용하기

INTRO

컴퓨터의 CPU가 메모리에 접근할 때 32비트 CPU는 4바이트 단위, 64비트 CPU는 8바이트 단위로 접근한다.

만약 32비트 CPU에서 4바이트보다 작은 데이터에 접근하게 될 경우 내부적으로 시프트 연산이 발생해서 효율이 떨어지게 되는데...

 

그래서 C언어 컴파일러는 구조체가 메모리에 올라갔을 때,  CPU가 메모리의 데이터에 효율적으로 접근할 수 있도록 구조체를 일정한 크기로 정렬한다. => 구조체 멤버 정렬

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51.1 구조체 크기 알아보기

#include <stdio.h>

struct PacketHeader
{
    char flags;
    int seq;
};

int main(void)
{
    struct PacketHeader header;

    printf("구조체 크기: %zd\n", sizeof(header));                // 구조체 변수로 크기 구하기
    printf("구조체 크기: %zd\n", sizeof(struct PacketHeader));   // 구조체 이름으로 크기 구하기
    printf("%zd\n", sizeof(header.flags));
    printf("%zd\n", sizeof(header.seq));
    
    return 0;
}

PacketHeader 구조체 안에는 1바이트 크기의 char와 4바이트 크기의 int가 들어가 있다.

그러면 전체 구조체 크기는 5바이트가 나와야 할 것 같은데 왜 8바이트 나온 것일까?

C언어에서는 구조체를 정렬할 때 멤버 중에서 가장 큰 자료형 크기의 배수로 정렬을 한다.

 

위의 코드에서 가장 큰 자료형은 int이고, int의 크기 4바이트를 기준으로 정렬하게되면, flag와 seq가 모두 들어가는 구조체의 최소 크기는 8바이트가 된다.

 

이때 1바이트인 char flags 뒤에는 기준인 4바이트를 맞추기 위해 남는 공간 3바이트가 더 들어가게 되는데, 이렇게 구조체를 정렬할 때 남는 공간을 채우는 것을 패딩(padding)이라고 한다.

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구조체를 정렬한 뒤 멤버의 위치가 위의 그림처럼 되는지 확인해보자.

구조체에서 멤버의 위치를 구할 때는 offsetof 매크로를 사용하며, 이는 stddef.h 헤더 파일에 정의되어 있다.

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct PacketHeader
{
    char flags;
    int seq;
};

int main(void)
{
    printf("%d\n", offsetof(struct PacketHeader, flags));
    printf("%d\n", offsetof(struct PacketHeader, seq));
    
    return 0;
}

위와 같이 offsetof 매크로에 구조체와 멤버를 지정하면 구조체에서 해당 멤버의 상대 위치가 반환된다.

(첫 멤버의 상대위치는 0)

 

그래서 flags의 위치는 0이고, seq의 위치는 패딩 공간의 위치(1, 2, 3)를 지나 4가 나온다.

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51.2 구조체 정렬 크기 조절하기

데이터 전송이나 저장 시 구조체 정렬을 피해야 하는 경우가 있는데, 이를 피하려면 어떻게 해야 할까?

-> 각 컴파일러에서 제공하는 특별한 지시자를 사용하면 구조체 정렬 크기를 조절할 수 있다.

#include <stdio.h>

#pragma pack(push, 1)   // 1바이크 크기로 정렬
struct PacketHeader
{
    char flags;
    int seq;
};
#pragma pack(pop)       // 정렬 설정을 기본값으로 되돌림

int main(void)
{
    struct PacketHeader header;

    printf("구조체 크기: %zd\n", sizeof(header));               
    printf("%zd\n", sizeof(header.flags));
    printf("%zd\n", sizeof(header.seq));
    
    return 0;
}

#pragma pack(push, 정렬크기)을 한 번 사용하면 그 아래에 오는 모든 구조체에 영향을 주므로 정렬 설정을 한 뒤에는 #pragma pack(pop)을 사용하여 설정을 이전 상태 즉, 기본값으로 되돌려야 한다.

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위의 코드에 대한 위치도 한 번 확인해보자.

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

#pragma pack(push, 1) 
struct PacketHeader
{
    char flags;
    int seq;
};
#pragma pack(pop)

int main(void)
{
    printf("%d\n", offsetof(struct PacketHeader, flags));
    printf("%d\n", offsetof(struct PacketHeader, seq));
    
    return 0;
}

구조체를 1바이트로 정렬하는 것은 구조체의 내용을 파일에 쓰거나 네트워크로 전송 할 때 꼭 필요하다는 점을 알아두자.

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다음은 위의 코드를 2바이트( #pragma pack(push, 2) )와 4바이트( #pragma pack(push, 4) ) 크기로 구조체를 정렬했을 때의 모양이다.

만약 이 상태에서 8바이트나 16바이트로 구조체를 정렬하더라도 구조체의 크기는 8이 나온다.

 

왜냐하면 C언어에서는 구조체를 정렬할 때 멤버 중에서 가장 큰 자료형 크기의 배수로 정렬을 하는데 위의 구조체 안에서 가장 큰 자료형 int의 크기 4바이트보다 정렬 설정의 크기가 크기 때문이다.