구조체 패딩 (Structure Padding)

구조체 패딩(Structure Padding) 은 CPU가 데이터를 읽을 때, 읽기 쉬운 위치에 배치하기 위해 컴파일러가 구조체 멤버 사이에 추가 공간을 삽입하는 기법을 말합니다.

즉, 메모리 공간을 일부 희생하더라도 CPU가 더 쉽고 빠르게 데이터를 읽을 수 있도록 빈 공간을 만드는 것입니다.

예를 들어, 다음과 같이 구조체를 만들고 결과를 보도록 합시다.

struct Struct01
{
	char char1;		// 1byte
	int int1;		// 4byte
	float float1;	// 4byte
	double double1;	// 8byte
	int int2;		// 4byte
	// 총 21byte로 예상
	// 하지만, 1 + 3(padding) + 4 + 4 + 4(padding) + 8 + 4 + 4(padding) = 32 byte
};

int main()
{
	printf("구조체 1의 크기: %d byte\n", sizeof(Struct01));	// 32byte
}

멤버들의 자료형 크기 총 합은 21byte지만, 그 결과는 32byte로 출력되는 것을 확인할 수 있습니다.

구조체 패딩의 필요성

CPU는 메모리에서 데이터를 읽을 때 한 번에 특정 크기만큼 읽을 수 있습니다. (32bit는 4byte, 64bit는 8byte)
만약, 구조체가 패딩이 되지 않았다면 어떨지 한 번 생각해 보겠습니다.

예를 들어, int는 4byte로, 32bit 컴퓨터가 한 번에 읽을 수 있어서 매우 빠르게 읽을 수 있는 기본 자료형입니다.
하지만 위와 같이 구조체가 저장되어 있다면, int를 읽기 위해 총 2번의 접근이 필요하게 될 것입니다.

하지만, 아래와 같이 패딩을 추가하면 그 만큼의 메모리 공간을 희생하겠지만, CPU가 메모리에 접근하는 수가 줄어 성능을 올릴 수 있습니다.

효율적으로 공간 설계하기

구조체는 제일 큰 자료형을 기준으로 패딩을 합니다.

실제로 Visual Studio를 사용해 확인해보면 다음과 같이 두 결과를 볼 수 있습니다.

struct Struct01
{
	char char1;
	int int1;
	float float1;
	double double1;	// 8byte
	int int2;
};
struct Struct03
{
	// 제일 큰 자료형이 int인 경우
	char char1;
	int int1;		// 4byte
	float float1;
	int int2;
};

위처럼 각 구조체의 패딩은 제일 큰 자료형을 기준으로 하는 것을 볼 수 있습니다.
하지만, Struct01을 보니 int2가 float1옆에 들어가면 좋을 것 같다는 것을 알 수 있습니다.

따라서, 다음과 같이 정렬을 하면 32byte를 24byte로 줄일 수 있는 것을 볼 수 있습니다.

struct Struct02
{
	// 정렬된 구조체
	char char1;		// 1byte
	int int1;		// 4byte
	int int2;		// 4byte
	float float1;	// 4byte
	double double1;	// 8byte
	// 1 + 3(padding) + 4 + 4 + 4 + 8 = 24byte
};

즉, 개발자는 구조체 혹은 클래스를 정의할 때, 멤버 순서에 유의하여 패딩 비트를 최소한으로하고 공간을 최대한 효율적으로 설계하는 것이 필요합니다.

패딩 비트 줄이기

만약 네트워크를 통해 구조체를 전송한다면 어떨까요?

구조체의 크기가 크고, 패딩 비트가 많고, 대부분의 데이터가 이 구조체로 이루어져 있다면 네트워크를 통해 요구되는 데이터도 크고, 그에따라 데이터 소모량도 커지게 될 것입니다.

즉, 구조체 패딩을 포함하면 불필요한 데이터를 전송하게 되어 네트워크 대역폭을 낭비할 수 있기 때문에, 패딩을 제거하고 필요한 데이터만을 전송하는 것도 중요합니다.

구조체 패딩을 제거하는 것으로 아마 다음과 같은 효과를 얻을 수 있을 것입니다.

• 네트워크 대역폭 절약: 데이터 크기를 줄여 네트워크 대역폭을 절약할 수 있을 것입니다.
• 전송 속도 향상: 마찬가지로, 데이터 크기가 줄어들면 전송 시간 또한 단축 될 것입니다.

#pragma pack 지시어 사용

#pragma pack 지시어를 사용하면 컴파일러에게 구조체 정렬 크기(경계 크기)를 지정할 수 있습니다.

#pragma pack(4) // 4byte 경계로 정렬

struct Struct01
{
	char char1;		// 1byte
	int int1;		// 4byte
	float float1;	// 4byte
	double double1;	// 8byte
	int int2;		// 4byte
	// 하지만, 1 + 3(padding) + 4 + 4 + 8 + 4 = 24 byte
};

#pragma pack 사용법

• #pragma pack(n): 구조체 멤버들이 n byte 경계로 정렬되도록 요청합니다.
• #pragma pack(push, n): 현재 패킹 규칙을 스택에 저장하고, 새로운 패킹 규칙 n을 적용합니다.
• #pragma pack(pop): 이전에 저장된 패킹 규칙을 스택에서 꺼내 적용합니다.

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참고

구조체(struct)