什么是“打包”？ C 中的结构？

Question

我正在查看一些为 Microchip C30 编译器编写的 C 代码，经常看到如下定义的结构：

typedef struct __attribute__((__packed__)) 
{
    IP_ADDR     MyIPAddr;               // IP address
    IP_ADDR     MyMask;                 // Subnet mask
    IP_ADDR     MyGateway;              // Default Gateway
        // etc...
} APP_CONFIG;

《packed》是什么意思？

Answer 1

定义结构时，允许编译器添加填充（没有实际数据的空间），以便成员落在 CPU 更容易访问的地址边界内。

例如，在 32 位 CPU 上，32 位成员应从 4 字节的倍数地址开始，以便有效访问（读取和写入）。以下结构体定义在两个成员之间添加了 16 位填充，以便第二个成员落在正确的地址边界内：

struct S {
    int16_t member1;
    int32_t member2;
};

在 32 位体系结构中，上述结构体在内存中的结构体为 (~ = padding）：

+---------+---------+
| m1 |~~~~|   m2    |
+---------+---------+

当结构体被打包时，这些填充不会被插入。编译器必须生成更多代码（运行速度较慢）来提取未对齐的数据成员，并写入它们。

打包后，相同的结构将在内存中显示为：

+---------+---------+
| m1 |   m2    |~~~~
+---------+---------+

Answer 2

它指示编译器不要在 struct 成员之间添加任何填充。

例如，请参阅此页面。

Answer 3

让我解释一下结构中填充的概念
然后通过举例来打包结构。

然后让我们看看为什么需要包装。

填充：

struct eg_struct
{
           unsigned char abc;
           unsigned int  xyz;
}

当在 16 位架构上按上述方式声明结构时，变量 abc 将被分配一些地址。下一个地址不会分配给变量xyz，而是添加一个额外的字节，然后将下一个地址分配给变量xyz。

最后，结构如下所示：

struct eg_struct
{
           unsigned char abc;
           unsigned char paddedbytes[1];
           unsigned int  xyz;
}

填充使微控制器可以轻松访问成员变量的地址。
缺点是图像中出现了额外的不必要的字节。

打包：

如果使用属性“packed”声明相同的结构，则变量abc后面不会添加额外的字节。

让我举一个需要打包的例子：

考虑一个与 EEPROM 连接的微控制器，其中存储了一些结构。

想象一下写入 EEPROM 的函数如下所示：

Write_EEPROM(EEPROM address, Ram address, Byte count);

现在，如果不进行打包，多余的填充字节将占用 EEPROM 中的空间，这是没有用的。

Answer 4

尚未明确指出的一件事是，打包通常是为了匹配预定义的字段结构。例如，在网络接口的低层，一系列字节在联网的机器之间交换。接收到数据后，需要将其映射到高层结构，以便可以轻松地操作数据。这时通常不需要填充，以便结构直接映射到字节。

网络数据交换还涉及字节字节序问题（即几乎所有网络数据都使用大字节序格式，而不管源机器和目标机器的字节序如何）。

此外，有些机器无法访问非对齐地址中的宽数据，例如Cortex-M0内核无法访问非32位对齐地址中的32位数据，因此写入时必须小心在这种情况下的网络代码。

Answer 5

_attribute__((__packed__)) 意味着（最有可能）“不插入任何填充以使事情更快”，也可能意味着“不插入任何对齐以保持对齐”。

Answer 6

当在结构声明期间使用打包时，编译器不会向同一结构的成员添加任何填充。下面是示例代码和输出，这是不言自明的。

$ cat structure_packed.c
#include <stdio.h>

typedef struct __attribute__((__packed__))
{
        char a;
        int ai;
        char ac;
}A;

struct B
{
        char b;
        int bi;
        char bc;
};

int main()
{
         A a;
        struct B b;
        int c;
        printf("size of struct A: %lu, addr a: %p, addr ai: %p, addr ac: %p\n", sizeof(a), &(a.a), &(a.ai), &a.ac);
        printf("size of struct B: %lu, addr b: %p, addr bi: %p, addr bc: %p\n", sizeof(b), &(b.b), &(b.bi), &b.bc);
        printf("addr of c: %p\n", &c);
        return 0;
}

编译

$ gcc structure_packed.c -o structure_packed

运行|输出

<前><代码>$ ./struct_packed
结构A的大小：6，地址a：0x7ffc6f177ed6，地址ai：0x7ffc6f177ed7，地址ac：0x7ffc6f177edb
结构 B 的大小：12，地址 b：0x7ffc6f177edc，地址 bi：0x7ffc6f177ee0，地址 bc：0x7ffc6f177ee4
c的地址：0x7ffc6f177ed0

Answer 7

如果打包结构会让事情变慢，为什么要创建它呢？

因为除了减少内存占用之外，当将结构从最大成员手动打包到最小成员时，所有内存访问通常最终位于偶数对齐的内存地址，这在某些微处理器上会显着提高性能。

某些微处理器无法访问奇数内存地址处大于一个字节的内存，并且会引发陷阱，导致代码崩溃。

当在奇数地址访问大于一个字节的内存、需要更多代码、使缓存无效或两者兼而有之时，一些微处理器会遭受严重处罚。

请参阅 Eric S. Raymond 的精彩著作《结构包装的失落艺术》：

http://www. catb.org/esr/structural-packing/