【C语言 内存对齐】 结构体字节对齐之`#pragma pack(push) `、`#pragma pack(pop) `和`#pragma pack()`的使用

优秀文章参考：

#pragma pack(push) 和#pragma pack(pop) 以及#pragma pack() - Crystal_Guang - 博客园

c语言内存对齐与#pragma pack(n) - long_ago - 博客园

目录

问题引入
一、#pragma pack(push,n)、#pragma pack(pop)和#pragma pack(n)

1.区别与联系
2.字节对齐概念

二、功能与使用

1.#pragma pack(push,n)
2.#pragma pack(pop)
3.#pragma pack(n)
4.实例:嵌套使用对齐方式

三、使用建议

四、注意事项

问题引入

结构体内存对齐字节可以通过#pragma pack(n) 的方式来指定。

但是，有没有想过一个问题，某些时候想4字节对齐，有些时候我又想1字节或者8字节对齐，那么怎么解决这个问题呢？

此时，#pragma pack(push) 和#pragma pack(pop) 以及#pragma pack()应运而生。

一、#pragma pack(push, n)、#pragma pack(pop) 和 #pragma pack(n)

用于控制结构体、联合体或类的数据对齐方式的编译器指令。

1. 区别与联系

特性	#pragma pack(push, n)	#pragma pack(pop)	#pragma pack(n)
对齐方式修改	临时修改为 n 字节	恢复到之前保存的对齐方式	修改全局对齐方式为 n 字节
对全局默认对齐影响	不改变全局默认对齐	不改变全局默认对齐	改变全局默认对齐
对齐方式恢复	保存当前对齐方式，便于恢复	恢复最近的 push 设置	无恢复机制
推荐使用场景	临时修改，代码块对齐	恢复对齐设置，避免全局影响	全局调整对齐方式
嵌套支持	支持嵌套	支持嵌套	不支持嵌套

2. 字节对齐概念

单字节对齐

指数据在内存中的排列方式，它确保每个数据成员按照**1字节（8位）**的边界对齐，而不是按照系统默认的对齐方式（通常是4字节或更高）。

在内存中，不同的数据类型通常有不同的对齐规则：

• 默认对齐：系统会按照数据类型的大小对齐，例如：
• uint8 按 1 字节对齐。
• uint16 按 2 字节对齐。
• uint32 按 4 字节对齐。

对齐的目的：提高内存访问效率，但有时会引入填充字节，以满足对齐要求。

二、功能与使用

1. #pragma pack(push, n)

• 功能：将当前的对齐方式保存到一个堆栈中，并设置新的对齐方式为 n（字节对齐）;
• 典型用法：用于在需要临时改变对齐规则时保存当前状态，便于后续恢复。

/*
StructA 按 2 字节对齐，节省空间。
StructB 按默认对齐方式（假设为 4 字节）对齐，内存占用更多。
*/
#include <stdio.h>

#pragma pack(push, 2) // 保存当前对齐方式，并设置为 2 字节对齐
typedef struct {
    
    
    char a;   // 1 字节
    int  b;   // 4 字节
} StructA;
#pragma pack(pop) // 恢复之前的对齐方式

typedef struct {
    
    
    char a;   // 默认对齐
    int  b;   // 默认对齐
} StructB;

int main() {
    
    
    printf("StructA size: %zu bytes\n", sizeof(StructA)); // 紧凑对齐
    printf("StructB size: %zu bytes\n", sizeof(StructB)); // 默认对齐
    return 0;
}

2.#pragma pack(pop)

• 功能：从堆栈中恢复上一次保存的对齐方式;
• 典型用法：与 #pragma pack(push, n) 配合使用，确保代码在临时修改对齐方式后恢复默认状态，避免影响后续代码。

/*
StructC 紧凑对齐，占用 5 字节。
StructD 恢复默认对齐方式（假设为 4 字节），内存占用可能更大。
*/
#pragma pack(push, 1) // 设置为 1 字节对齐
typedef struct {
    
    
    char a;
    int  b;
} StructC;

#pragma pack(pop) // 恢复默认对齐方式
typedef struct {
    
    
    char a;
    int  b;
} StructD;

3. #pragma pack(n)

• 功能：直接修改全局对齐方式为 n 字节，无需保存之前的状态。
• 典型用法：用于代码中需要长时间使用特定对齐方式的场景。

#pragma pack(2) // 设置全局对齐方式为 2 字节
typedef struct {
    
    
    char a;
    int  b;
} StructE;

// 此处所有代码均受 2 字节对齐方式影响

4. 实例：嵌套使用对齐方式

假设需要定义一组与硬件通信协议相关的结构体，有不同的对齐要求：

1. 全局默认对齐为 4 字节。
2. 某些结构体需要紧凑对齐（如 1 字节）。
3. 在局部范围内调整为特定对齐方式（如 2 字节）。

#include <stdio.h>

// 全局默认对齐为 4 字节
#pragma pack(4)

typedef struct {
    
    
    char a;       // 1 字节
    int  b;       // 4 字节
} GlobalAlignedStruct;

#pragma pack(push, 1) // 保存全局 4 字节对齐，临时调整为 1 字节对齐

typedef struct {
    
    
    char a;       // 1 字节
    int  b;       // 紧凑对齐，无填充，占用 4 字节
    short c;      // 2 字节
} TightlyPackedStruct;

#pragma pack(push, 2) // 在 1 字节对齐的基础上进一步设置为 2 字节对齐

typedef struct {
    
    
    char a;       // 1 字节
    short b;      // 2 字节对齐
    int c;        // 4 字节对齐
} TwoByteAlignedStruct;

#pragma pack(pop) // 恢复到 1 字节对齐

typedef struct {
    
    
    char a;       // 1 字节
    int  b;       // 紧凑对齐，无填充，占用 4 字节
    short c;      // 2 字节
} RestoredTightlyPackedStruct;

#pragma pack(pop) // 恢复到全局默认 4 字节对齐

typedef struct {
    
    
    char a;       // 1 字节
    int  b;       // 默认对齐，4 字节
    short c;      // 默认对齐，4 字节
} DefaultAlignedStruct;

int main() {
    
    
    printf("Size of GlobalAlignedStruct: %zu bytes\n", sizeof(GlobalAlignedStruct));
    printf("Size of TightlyPackedStruct: %zu bytes\n", sizeof(TightlyPackedStruct));
    printf("Size of TwoByteAlignedStruct: %zu bytes\n", sizeof(TwoByteAlignedStruct));
    printf("Size of RestoredTightlyPackedStruct: %zu bytes\n", sizeof(RestoredTightlyPackedStruct));
    printf("Size of DefaultAlignedStruct: %zu bytes\n", sizeof(DefaultAlignedStruct));
    return 0;
}

解释

1. 全局对齐方式：

• 默认对齐为 4 字节，GlobalAlignedStruct 使用全局对齐方式。

2. 1 字节对齐范围：

• 使用 #pragma pack(push, 1) 保存当前对齐方式（4 字节），并临时设置为 1 字节对齐。
• TightlyPackedStruct 使用 1 字节对齐，所有成员紧凑排列，无填充。

3. 嵌套对齐调整：

• 在 1 字节对齐范围内再次使用 #pragma pack(push, 2) 设置为 2 字节对齐。
• TwoByteAlignedStruct 受 2 字节对齐规则影响，适当填充以满足对齐要求。

4. 恢复到外层对齐：

• 使用 #pragma pack(pop) 恢复到 1 字节对齐。
• RestoredTightlyPackedStruct 使用恢复的 1 字节对齐规则。

5. 全局对齐恢复：

• 使用第二个 #pragma pack(pop) 恢复全局 4 字节对齐。
• DefaultAlignedStruct 使用默认的 4 字节对齐规则。

输出示例（可能因编译器不同而略有差异）

Size of GlobalAlignedStruct: 8 bytes
Size of TightlyPackedStruct: 7 bytes
Size of TwoByteAlignedStruct: 8 bytes
Size of RestoredTightlyPackedStruct: 7 bytes
Size of DefaultAlignedStruct: 12 bytes

三、使用建议

1. 推荐使用 #pragma pack(push, n) 和 #pragma pack(pop)：
   • 适合局部调整对齐方式，尤其是在多个文件中包含不同的对齐要求时。
   • 保持代码清晰，易于维护，避免无意间影响其他代码。
2. 谨慎使用 #pragma pack(n)：
   • 会修改全局对齐方式，可能导致不易察觉的问题。
   • 如果使用，务必在之后通过 #pragma pack() 恢复默认设置。

四、注意事项

• 性能影响：
  • 非对齐内存访问可能会导致性能下降（取决于硬件架构）。
  • 避免在高性能关键路径中使用严格的对齐方式（如 1 字节对齐）。
• 跨平台兼容性：
  • 不同平台的默认对齐方式可能不同，因此明确设置对齐方式可以提高可移植性。
• 协议解析和硬件交互：
  • 通常使用 1 字节对齐，以确保内存布局与外部设备或协议数据结构严格一致。