[C/C++] C++ 구조체 크기가 예상보다 큰 이유: 메모리 정렬과 패딩의 비밀

1. 문제 개요

C++에서 sizeof 연산자를 사용하면 구조체 크기가 예상한 멤버 크기의 합보다 큰 경우가 많습니다. 이는 메모리 정렬(alignment)과 패딩(padding) 때문입니다. 본 글에서는 이 현상의 원인과 해결 방법을 살펴보겠습니다.

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2. 메모리 정렬과 패딩의 원리

2.1 메모리 정렬이란?

메모리 정렬은 CPU가 데이터를 더 효율적으로 읽고 쓰기 위해, 데이터를 특정 바이트 경계에 맞춰 배치하는 방식입니다.
예를 들어, 4바이트 정수는 주소가 4의 배수로 정렬되면 CPU가 한 번의 읽기로 데이터를 처리할 수 있습니다.

2.2 구조체에서의 패딩

구조체의 멤버는 메모리 정렬을 만족하기 위해 사이에 패딩(추가 공간)이 삽입됩니다. 다음은 예시입니다:

struct Example {
    char a;  // 1 byte
              // 3 bytes padding
    int b;    // 4 bytes
};

위 구조체의 크기는 sizeof(Example) = 8입니다. char는 1바이트이지만, int가 4바이트 정렬을 요구하므로 3바이트 패딩이 추가됩니다.

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3. 정렬 방식에 따른 구조체 크기 비교

아래는 32비트 시스템에서의 예제입니다:

struct X {
    short s;  // 2 bytes
              // 2 bytes padding
    int i;    // 4 bytes
    char c;   // 1 byte
              // 3 bytes padding
};

구조체 X의 크기는 12바이트입니다. 각 멤버의 정렬 요구 사항에 따라 패딩이 추가되었습니다.

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4. 최적화 방법

4.1 멤버 순서 조정

구조체 멤버를 크기 순으로 정렬하면 패딩을 줄일 수 있습니다.
예를 들어, 다음과 같이 멤버를 정렬합니다:

struct Optimized {
    int i;    // 4 bytes
    short s;  // 2 bytes
    char c;   // 1 byte
              // 1 byte padding
};

sizeof(Optimized) = 8로 줄어듭니다.

4.2 #pragma pack 사용

컴파일러의 #pragma pack 지시어로 패딩을 최소화할 수 있습니다. 하지만, 성능 저하와 CPU 예외 발생 가능성을 유의해야 합니다.

#pragma pack(1)
struct Packed {
    char a;   // 1 byte
    int b;    // 4 bytes
};
#pragma pack()

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5. 결론

구조체 크기가 예상보다 큰 이유는 메모리 정렬과 패딩 때문입니다. 멤버 정렬 최적화와 #pragma pack을 활용하여 크기를 줄일 수 있지만, 성능 저하와 호환성 문제를 고려해야 합니다. 이러한 원리를 이해하면 더 효율적인 코드 작성이 가능합니다.

 

Reference

https://stackoverflow.com/questions/119123/why-isnt-sizeof-for-a-struct-equal-to-the-sum-of-sizeof-of-each-member