#pragma pack详解

有时候，我们在程序中会遇到#pragma pack(x)用法，但是，很多时候，搞不清楚这个到底具体作用体现在什么地方，编译器为什么提供这一个预处理命令给我们，我们知道加入这之后会影响结构体中数据的对齐方式，无论在visual studio中还是在gnu中都有相类似的指令，下面就详细介绍一下这个指令到底是如何影响数据对齐的。
首先，准备从理论上给出对齐方式，假设我们这样写，#pragma pack(pack_size)，注意这里假设对齐尺寸是pack_size,当然这里是以字节为单位的，毕竟字节是计算机能够存储和修改的最小单位了。紧接着，下面有一个结构体，名字假设为demo，假设里面有n个变量，名字无关紧张，但是大小很是关键，在此，不放设大小分别是demo_member_size1, demo_member_size2, ....., demo_member_sizen, 当然我们现在感兴趣的是sizeof demo是多少的问题，既然是介绍理论方法，就要给出具体的方法，是这么规定的，编译器在从上扫描这个结构体的时候（注意，这个指令是无法影响到结构体中成员的顺序的，而且目前是没有指令能够改变的），会从结构体的开始也就是逻辑0位置开始，向下解析，现在假设解析完了第i-1个成员变量，而此时的偏移量是offset_demo, 紧接着编译器会解析demo结构体的第i个成员变量，从上面我们知道，这个成员变量的尺寸是demo_member_sizei,编译器看到这个尺寸的时候，就会取real_pack_size = min{pack_size, demo_member_sizei}，然后计算last_size = offset_demo % real_pack_size,如果last_size刚好等于0，那么不需要进行任何空白填充，而直接进行第i个成员的填充，也就是讲第i个变量放置到这个结构体偏移量为[offset_demo, offset_demo + demo_member_sizei)这个空间范围内，如果last_size不等于0， 此时就需要填充了，以1字节逐渐填充(offset_demo = offset_demo + 1)直到offset_demo % real_pack_size == 0，此时跟上面一样，将第i个成员摆放到[offset_demo, offset_demo + demo_member_sizei)这个空间范围内。一旦摆放好第i个成员变量之后，offset_demo = offset_demo + demo_member_sizei，并以此类推，直到扫描完这个结构体为止。
扫描完这个结构体之后，得到了offset_demo, 可能很多人认为这个值就是sizeof demo了，其实不然，编译器还要做最后一件事情，取real_pack_size = min{max{demo_mem_size1, ..., demo_mem_offsetn}, pack_size}，判断此时offset_demo % real_pack_size == 0？，如果等于0，那么offset_demo就是这个结构体的大小，否则的话，编译器还要像上面一样，进行逐字节（offset_demo = offset_demo + 1）填充，直到offset_demo % real_pack_size == 0成立。此时offset_demo的值就是sizeof demo了。

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下面举一个例子：

#pragma pack(2)
struct StructDemo
{
    int m_int1;
    char m_char1;
    short m_short1;
    short m_short2;
    int m_int2;
    char m_char2;
};

假设测试平台是intel X86架构的计算机上。
用上面的理论来计算一下sizeof StructDemo的值，很容易发现pack_size = 2, member_size1 = 4, member_size2 = 1, member_size3=3, member_size4 = 2, member_size5 = 4, member_size6 = 1, offset_demo = 0.
接着，我们来充当编译器，首先offset_demo = 0，接着扫描第一个成员m_int1,发现member_size1 = 4, 计算real_pack_size = min{2, 4} = 2,而 offset_demo % 2 = 0 == 0,所以占据空间是[0, 4), 接着offset_demo = offset_demo + member_size1 = 0 + 4 = 4, 接着遇到了m_char1, 4 % 1 == 0, 所以占据空间[4, 5), offset_demo = 5， 紧接着m_short1来了，因为offset_demo % 2 = 5 % 2 != 0, 所以填充，由于6 % 2 == 0, 所以填充了1个字节，offset_demo = 6，m_short1占据空间是[6, 8)，offset_demo = 6 + 2 = 8， 当m_short2来了，就简单了，直接存放[8, 10), 接着offset_demo = 10，而此时m_int2存放[10, 14), offset_demo = 14, 此时看到了m_char2, 直接存放[14, 15),最后offset_demo = 15.
注意此时需要计算real_pack_size = min{max{4, 1, 2, 2, 4, 1}, 2} = 2，offset_demo % real_pack_size = 15 % 2 != 0,还需要填充一个字节，最后offset_demo = 16，从而得到sizeof StructDemo = 16.
大家动手看看这个结构体的大小是不是这样，验证程序如下：

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#pragma pack(2)
struct StructDemo
{
    int           m_int1;
    char          m_char1;
    short         m_short1;
    short         m_short2;
    int           m_int2;
    char          m_char2;
};

int main()
{
    int tmp;
    printf("sizeof StructDemo = %d\n", sizeof StructDemo);
    printf("Now, We see which space every member lay\n");
    printf("m_int1 stay at [ %d, %d)\n",                    (tmp = offsetof(StructDemo, m_int1)),            tmp + sizeof(int));
    printf("m_char1 stay at [ %d, %d)\n",                   (tmp = offsetof(StructDemo, m_char1)),           tmp + sizeof(char));
    printf("m_short1 stay at [ %d, %d)\n",                  (tmp = offsetof(StructDemo, m_short1)),          tmp + sizeof(short));
    printf("m_short2 stay at [ %d, %d)\n",                  (tmp = offsetof(StructDemo, m_short2)),          tmp + sizeof(short));
    printf("m_int2 stay at [ %d, %d)\n",                    (tmp = offsetof(StructDemo, m_int2)),            tmp + sizeof(int));
    printf("m_char2 stay at [ %d, %d)\n",                   (tmp = offsetof(StructDemo, m_char2)),           tmp + sizeof(char));
    return 0;
}

运行结果如下图：

从运行结果可以看出跟我们分析的完全一样！
那这种对齐要求有什么用处呢？
1. 在网络传输方面，如果使用#pragma pack(1)来对齐的话会节约网络带宽，虽然会给CPU带来不便，但是我们知道CPU的速度还是远远快于网络的传输速度的
2. 驱动开发方面，特别是在寄存器组的映射方面，是要严格要求的，在此不进行展开，相信从事过驱动开发的人很熟悉
3. CPU处理方面，存取数据速度更快

以上仅仅是个人的一些浅薄的见解，未涉及和有错误之处还请大牛能够指出，本人将非常感谢！