什么是 C 中的“打包”结构？答案

【问题标题】：What is a "packed" structure in C?什么是 C 中的“打包”结构？
【发布时间】：2023-04-02 21:31:01
【问题描述】：

我正在研究一些为 Microchip C30 编译器编写的 C 代码，我经常看到定义如下的结构：

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

打包是什么意思？

【问题讨论】：

标签： c microcontroller packed

【解决方案1】：

定义结构时，允许编译器添加填充（没有实际数据的空格），以便成员位于更易于 CPU 访问的地址边界内。

例如，在 32 位 CPU 上，32 位成员应该从 4 字节的倍数地址开始，以便有效地访问（读取和写入）。下面的结构定义在两个成员之间添加了一个 16 位的填充，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;
};

上述结构在32位架构下的内存结构为(~ = padding)：

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

打包结构时，不会插入这些填充。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。

相同的结构在打包后会在内存中显示为：

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

【讨论】：

切向的问题，但如果它使事情变慢，为什么要创建一个打包结构？是为了减少内存占用吗？
一个用例：它们经常用于定义和实现网络协议、二进制格式...您通常不希望向将要存储或发送的结构添加填充网络。
考虑到您的示例，16 位 + 32 位 = 48 位 = 12 个字节，这确实是 4 个字节的倍数。为什么编译器会应用填充？
@Maxitj，48 位是 6 个字节，而不是 12 个。
@Juliano 愚蠢的我，我读这篇文章的时候真的很累 :)

【解决方案2】：

它指示编译器不要在struct 的成员之间添加任何填充。

例如，请参阅this page。

【讨论】：

我猜你的意思是相反的 - 打包的意思是省略任何填充而不是添加它。
此答案中的链接已损坏，有修复的机会吗？
详情：“成员之间不添加任何填充”更像是添加最小包装。在某些情况下，某些架构可能仍需要一些填充。（例如，int 必须在偶数地址边界上以防止总线故障。）

【解决方案3】：

让我解释一下结构中填充的概念和然后通过一个例子来打包结构。

然后让我们看看为什么需要打包。

填充：

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

当结构在 16 位架构上声明为上述结构时，变量abc 将被分配一些地址。下一个地址不分配给变量xyz，而是增加一个字节，然后下一个地址将分配给变量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。缺点是出现了额外的不必要字节。

包装：

如果使用属性“packed”声明相同的结构，则不会在变量abc之后添加额外的字节。

让我举一个需要打包的例子：

考虑一个与 EEPROM 接口的微控制器，其中存储了一些结构。

想象一个写入 EEPROM 的函数如下所示：

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

现在如果不打包，多余的填充字节会占用EEPROM中的空间，这是没有用的。

【讨论】：

@laurenz albe 感谢您让我的回答更形象化。

【解决方案4】：

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

【讨论】：

【解决方案5】：

没有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，网络机器之间交换一系列字节。接收到数据后，需要将其映射到高级结构，以便轻松操作数据。这是通常不需要填充的时候，因此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）。

此外，某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，因此必须注意在这种情况下编写网络代码。

【讨论】：