C++ 및 C 언어에서 구조체 크기 계산: sizeof 연산자의 비밀

2024-07-27

메모리 정렬:

컴파일러는 메모리 접근 속도를 최적화하기 위해 데이터를 특정 방식으로 정렬합니다. 이는 구조체 멤버의 배치에도 영향을 미칩니다.

예를 들어, 다음 구조체를 살펴보겠습니다.

struct Point {
  int x;
  char y;
};

int는 일반적으로 4바이트, char는 1바이트입니다. 따라서 각 멤버의 sizeof 합은 5바이트입니다. 하지만 실제 sizeof(Point)는 8바이트일 수 있습니다.

이유는 컴파일러가 int 데이터를 4바이트 경계에 맞추어 정렬하기 때문입니다. 즉, x 멤버는 4바이트 경계에 시작해야 합니다. 만약 y 멤버가 x 바로 뒤에 배치된다면, y의 마지막 바이트가 4바이트 경계에 걸쳐질 것입니다. 이를 방지하기 위해 컴파일러는 x 뒤에 3개의 패딩 바이트를 추가로 삽입하여 y를 다음 4바이트 경계에 맞춥니다.

따라서 Point 구조체의 실제 메모리 사용량은 8바이트 (4바이트 x, 3개의 패딩 바이트, 1바이트 y)가 됩니다.

데이터 정렬 방식:

컴파일러는 또한 데이터 정렬 방식에 따라 구조체 크기를 조정할 수 있습니다. 예를 들어, Little-endian 시스템에서는 저비트가 메모리 주소의 낮은 끝에 저장됩니다. 반면 Big-endian 시스템에서는 고비트가 낮은 끝에 저장됩니다.

다음 구조체를 예시로 살펴보겠습니다.

struct Data {
  short s;
  int i;
};

short는 2바이트, int는 4바이트입니다. Little-endian 시스템에서는 다음과 같이 메모리에 배치될 수 있습니다.

... | i (저비트) | i (고비트) | s (저비트) | s (고비트) | ...

반면 Big-endian 시스템에서는 다음과 같이 배치될 수 있습니다.

... | s (고비트) | s (저비트) | i (고비트) | i (저비트) | ...

두 시스템에서 sizeof(Data)는 6바이트가 될 것입니다. 하지만 실제 메모리 사용량은 Little-endian 시스템에서는 8바이트 (패딩 바이트 포함), Big-endian 시스템에서는 4바이트 (패딩 바이트 없음)가 될 수 있습니다.

컴파일러 및 플랫폼 영향:

사용하는 컴파일러와 플랫폼에 따라 구조체 크기 계산 방식이 다를 수 있습니다. 일부 컴파일러는 특수 옵션을 제공하여 구조체 패딩을 제어하거나 데이터 정렬 방식을 지정할 수 있습니다.

결론:

C++ 및 C 언어에서 sizeof 연산자를 사용하여 구조체 크기를 계산할 때는 예상과 다른 결과가 발생할 수 있다는 점을 기억해야 합니다. 이는 메모리 정렬, 데이터 정렬 방식, 컴파일러 및 플랫폼 영향과 같은 여러 요인 때문입니다. 정확한 구조체 크기를 계산해야 하는 경우, 관련 플랫폼 및 컴파일러의 문서를 참고하거나 시스템 API를 사용하는 것이 좋습니다.

#include <stdio.h>

struct Point {
  int x;
  char y;
};

int main() {
  struct Point p;

  printf("sizeof(Point) = %d\n", sizeof(Point)); // 8 출력
  printf("sizeof(p.x) = %d\n", sizeof(p.x));     // 4 출력
  printf("sizeof(p.y) = %d\n", sizeof(p.y));     // 1 출력

  return 0;
}

sizeof(Point) = 8
sizeof(p.x) = 4
sizeof(p.y) = 1

위 예제에서 볼 수 있듯이 sizeof(Point)는 8이고, sizeof(p.x)는 4, sizeof(p.y)는 1입니다.

C++ 및 C 언어에서 구조체 크기 정확하게 계산하기 위한 대체 방법

따라서 구조체 크기를 정확하게 계산해야 하는 경우, 다음과 같은 대체 방법을 사용할 수 있습니다.

각 멤버 크기 직접 합산:

각 멤버의 데이터 타입에 따른 크기를 직접 계산하여 합산하는 방법입니다. 예를 들어, 다음 코드는 Point 구조체의 크기를 계산합니다.

struct Point {
  int x;
  char y;
};

int getStructSize(struct Point *p) {
  int size = 0;
  size += sizeof(p->x);
  size += sizeof(p->y);
  return size;
}

이 코드는 sizeof(int)와 sizeof(char)를 직접 사용하여 구조체 크기를 계산합니다. 이 방식은 정확하지만, 모든 멤버의 크기를 직접 계산해야 하기 때문에 다소 번거롭습니다.

표준 라이브러리 함수 활용:

C++ 표준 라이브러리에는 std::tuple_size 및 std::get_tuple_element_type 함수를 사용하여 구조체 크기를 계산하는 데 도움이 되는 함수들이 있습니다. 다음 코드는 Point 구조체의 크기를 계산하는 예시입니다.

#include <tuple>

struct Point {
  int x;
  char y;
};

int getStructSize(struct Point *p) {
  return std::tuple_size<decltype(*p)>(); // C++17 이상
}

이 코드는 std::tuple_size 함수를 사용하여 Point 구조체가 std::tuple과 동일한 메모리 레이아웃을 가지고 있다는 사실을 이용하여 크기를 계산합니다.

플랫폼 및 컴파일러 특정 API 활용:

일부 플랫폼 및 컴파일러는 구조체 크기를 정확하게 계산하는 데 사용할 수 있는 특정 API를 제공합니다. 예를 들어, Linux에서는 sizeof 연산자와 함께 __alignof__ 연산자를 사용하여 구조체 크기를 계산할 수 있습니다. 다음 코드는 Point 구조체의 크기를 계산하는 예시입니다.

#include <stddef.h>

struct Point {
  int x;
  char y;
};

int getStructSize(struct Point *p) {
  return sizeof(*p); // 일반적인 sizeof 연산자
  // return __alignof__(struct Point); // Linux에서 정확한 크기 계산
}