C与C++利用pragma pack对结构体做成员打包对齐设置

现代主流C和C++编译器MSVC与GCC均支持使用 #pragma pack 来指定某组结构体或联合体（C++还可支持类）的每一个成员的最大对齐字节数。这在某些诸如可跨平台的对象序列化等应用场合会比较有用。下面笔者将介绍GCC与MSVC均能支持的 #pragma pack 的几种形式。

1. #pragma pack( push [ , n ] )：表示先将当前pack对齐的设置保存在当前编译器栈上，然后用 n 来设置新的pack对齐要求。n是可缺省的。如果缺省，那么以当前编译器默认设置的pack对齐方式进行设置。
2. #pragma pack( pop )：表示将当前pack对齐的设置推出编译器对pack对齐设置的栈，而回到前一个设置。
3. #pragma pack( [ n ] )：表示用 n 来设置新的pack对齐设置。n是可缺省的。如果缺省，那么以当前编译器默认设置的pack对齐方式进行设置。

下面提供一些示例代码为大家提供一个更好的直观感受。以下代码可在Visual Studio 2019或更高版本上的MSVC（通过将C语言编译选项设置为C11或C17）以及GCC 4.8以上、Clang 3.6以上通过编译和运行。

#include <stdio.h>
#include <stdalign.h>

#pragma pack(2)
typedef struct S1
{
    char c;
    int i;
} S1;

#pragma pack(push, 1)
typedef struct S2
{
    char c;
    int i;
} S2;

typedef struct S3
{
    char c;
    long long ll;
} S3;

// 恢复为之前pack设置
#pragma pack(pop)

typedef struct S4
{
    char c;
    long long ll;
} S4;

// 恢复为当前编译器默认的pack设置
#pragma pack()

typedef struct S5
{
    char c;
    int i;
} S5;

int main(void)
{
    // 输出：S1 size: 6, alignment: 2, c offset: 0, i offset: 2
    printf("S1 size: %zu, alignment: %zu, c offset: %zu, i offset: %zu\n",
        sizeof(S1), alignof(S1), offsetof(S1, c), offsetof(S1, i));

    // 输出：S2 size: 5, alignment: 1, c offset: 0, i offset: 1
    printf("S2 size: %zu, alignment: %zu, c offset: %zu, i offset: %zu\n",
        sizeof(S2), alignof(S2), offsetof(S2, c), offsetof(S2, i));

    // 输出：S3 size: 9, alignment: 1, c offset: 0, i offset: 1
    printf("S3 size: %zu, alignment: %zu, c offset: %zu, i offset: %zu\n",
        sizeof(S3), alignof(S3), offsetof(S3, c), offsetof(S3, ll));

    // 输出：S4 size: 10, alignment: 2, c offset: 0, i offset: 2
    printf("S4 size: %zu, alignment: %zu, c offset: %zu, i offset: %zu\n",
        sizeof(S4), alignof(S4), offsetof(S4, c), offsetof(S4, ll));

    // 输出：S5 size: 8, alignment: 4, c offset: 0, i offset: 4
    printf("S5 size: %zu, alignment: %zu, c offset: %zu, i offset: %zu\n",
        sizeof(S5), alignof(S5), offsetof(S5, c), offsetof(S5, i));
}

此外，为了能更方便地为单个结构体等复合类型设置每个成员最大只能以1个字节对齐的设置，GCC和Clang分别提供了扩展语法进行设置。

以下为GCC的语法扩展：

struct __attribute__((packed)) S
{
    char c;
    int i;
};

以下为Clang编译器所支持的语法扩展：

struct [[gnu::packed]] S
{
    char c;
    int i;
};

请注意，Clang的该语法扩展只能用于C++11开始起的C++编译器以及可支持C2X标准的C语言编译器。印象中，Clang 9开始应该能支持 -std=gnu2x 这一编译选项。因此如果各位在Clang上用的是C编译器的话，需要显式使用该选项。