C/C++字节对齐控制详解：使用#pragma pack与__attribute__优化内存布局

上节课我们学习了结构体字节对齐。编译器为了提升程序运行效率，通常会在编译阶段于结构体内插入填充字节，以确保所有成员变量都满足特定的内存对齐要求。然而，这些由编译器自动添加的“填充物”有时会带来不小的困扰。

当你需要将一个结构体内的数据以二进制形式进行网络传输或文件存储时，这些填充字节也会一同被打包发送或写入。这不仅浪费了宝贵的网络流量与存储空间，还可能为系统的数据交换埋下安全隐患。因此，学会手动控制字节对齐，是每个C/C++程序员在处理这类场景时的必备技能。

在C语言中，我们可以使用#pragma pack预处理指令来修改编译器默认的对齐规则。

#pragma pack 预处理指令详解

#pragma pack指令的作用是告知编译器，紧随其后的代码应按照指定的对齐字节数进行内存对齐。

语法格式：

// 设置指定的对齐字节数
#pragma pack(n)

// 恢复编译器默认的对齐字节数
#pragma pack()

核心说明：

1. 当使用#pragma pack(n)时，编译器将使用n作为新的对齐模数，替代其默认值。
2. 参数n的值必须是2的幂次方，常见的有1、2、4、8等。
3. 当使用不带参数的#pragma pack()时，对齐模数将恢复为编译器的默认对齐方式。

应用示例：将一个结构体设置为1字节对齐

假设我们有如下结构体定义：

struct mydata {
    char c;
    short int s;
    int i;
};

为了让它按1字节对齐（即取消对齐，所有成员紧密排列），我们可以编写如下代码：

// filename: pragma_pack.c
#include <stdio.h>

#pragma pack(1)  // 设置为 1 字节对齐
struct mydata {
    char c;
    short int s;
    int i;
};
#pragma pack()   //  恢复为默认对齐方式

int main(int argc, char *argv[]) {
    struct mydata d;

    printf("sizeof(d): %ld\n", sizeof(d));

    printf("&d.c: %p\n", &d.c);
    printf("&d.s: %p\n", &d.s);
    printf("&d.i: %p\n", &d.i);

    return 0;
}

编译与运行结果：

weimingze@mzstudio:~$ gcc -o pragma_pack pragma_pack.c
weimingze@mzstudio:~$ ./pragma_pack
sizeof(d): 7
&d.c: 0x7ffdd39b4421
&d.s: 0x7ffdd39b4422
&d.i: 0x7ffdd39b4424

内存结构分析：
根据运行结果输出的地址和大小，我们可以推断出结构体mydata在1字节对齐下的内存布局如下：

 ____________ 共占用 7 字节 _____________
/                                       \
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
| d.c |    d.s    |          d.i          |
+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
^     ^           ^
|     |           |
&d.c  &d.s        &d.i
&d

上图清晰地展示了在1字节对齐下，char c、short s和int i三个成员在内存中紧密相邻，没有任何填充字节，因此总大小正好是1+2+4=7字节。

GCC 编译器的 __attribute__((packed)) 特性

除了#pragma pack指令，GCC编译器还提供了一个非常有用的扩展特性：__attribute__((packed))。它的作用与#pragma pack(1)类似，可以强制指定单个结构体采用1字节对齐（即打包排列）。

语法格式：

struct 结构体名 {
    数据类型1 成员变量名1;
    ...
} __attribute__((packed));

重要说明：

1. __attribute__((packed))是GCC编译器的扩展语法，并非标准C的一部分，在其他编译器（如MSVC）中可能无法识别。
2. 此特性仅对修饰的那个特定结构体生效，不影响其他结构体或编译器的全局对齐设置，作用范围更精确。

示例：
前面使用#pragma pack的例子，在GCC环境下完全可以等价地改写为：

struct mydata {
    char c;
    short int s;
    int i;
} __attribute__((packed));

这段代码将产生与之前#pragma pack(1)完全相同的效果，结构体大小为7字节。如果你使用的是GCC或Clang等兼容编译器，可以亲自尝试编译运行来验证。

动手实验

为了加深理解，我们来做一个小实验。已知结构体定义如下：

struct pack_demo {
    char a;
    int b;
    short c;
};

请你尝试分别使用以下对齐方式，测试并分析该结构体的内存占用与布局：

1. 1字节对齐 (#pragma pack(1) 或 __attribute__((packed)))
2. 2字节对齐 (#pragma pack(2))
3. 4字节对齐 (#pragma pack(4))
4. 8字节对齐 (#pragma pack(8))
5. 编译器默认对齐方式 (不指定或使用 #pragma pack())

通过比较不同对齐设置下sizeof(struct pack_demo)的结果以及各成员地址的偏移量，你将能直观地看到对齐规则如何影响结构体的内存布局。这有助于你在实际开发中，根据数据存储或传输的需求，在内存效率、访问速度和代码兼容性之间做出最佳权衡。

掌握字节对齐的控制技巧，是进行底层编程、网络协议设计或高性能计算的基础。希望本文能帮助你理清思路，如果在实践中有更多心得或疑问，欢迎在云栈社区与更多开发者交流探讨。