O que é
Isto é usado para facilitar o trabalho de leitura de memória e colocação em registradores. Os registrados trabalham com um tamanho fixo de acordo com sua arquitetura. O ideal é que os dados caibam dentro deste tamanho. Então os dados são armazenados em palavras. O padding (ou preenchimento) alinha estes dados acrescentando bytes não significativos. Os compiladores fazem isto por padrão. Se precisa de um comportamento específico é necessário o uso de diretivas indicando a forma necessária.
Para todos os efeitos classes são estruturas (struct
s) e funcionam da mesma forma.
Desperdício
No seu exemplo a estrutura provavelmente terá 12 bytes (arquitetura de 32 bits) já que o membro b
será preenchido com 3 bytes extras para fazer o padding. Assim todos os membros terá 4 bytes. Este número é obtido levando em consideração que a maioria das arquiteturas possuem uma palavra com 4 bytes de tamanho.
Evidentemente em arquiteturas 64 bits o estrago é ainda maior (e é possível ter preenchimento ainda maior), você pode ter até 7 bytes de desperdício. A palavra costuma refletir como os registrados são usados nos processadores. Note que estou usando dados comuns nas principais arquiteturas. Compiladores C e C++ são liberais quanto ao tamanho de quase todos os tipos se aplicando um tamanho mínimo.
Eliminar o padding pode otimizar em alguns casos o consumo de memória mas pode causar outros problemas de performance. Ler dados da memória em tamanhos diferentes da palavra da arquitetura precisam de processamento extra. Na maioria dos casos não compensa a troca.
Economizando
Claro que há casos que podem haver o preenchimento natural mantendo o uso da palavra:
struct {
int a;
char b;
char c;
char d;
char e;
float f;
}
Esta estrutura pode muito bem ter os mesmo 12 bytes. Os 4 chars
cabem no alinhamento da palavra. Então pensar a ordem dos membros pode ser bastante útil.
Esta é a forma mais recomendada de resolver o problema. Ele não possui nenhuma desvantagem para o software em si. Claro que eventualmente você terá que colocar dados em uma ordem que não é tão intuitiva para ler.
Mesmo neste caso você só terá uma vantagem de consumo de memória clara se a estrutura for usada repetidas vezes em outra estrutura. Economizar alguns bytes não vale o esforço. Economizar alguns bytes multiplicado por milhões de vezes pode fazer alguma diferença.
Mas também é possível controlar como o padding é feito com diretivas (muitas vezes não padronizadas entre compiladores). Exemplo:
Quando realmente precisa, podemos fazer o packing. Exemplos em empacotamento.
#pragma pack(1)
No C++ da Microsoft, como outros compiladores que seguem o padrão do C, torna o tamanho em 1 byte eliminando de fato qualquer padding. Claro que membros com mais de 1 byte terão seu tamanho normal. Isto indica o tamanho mínimo que o membro deve ter. No GCC poderia usar opcionalmente:
__attribute__((packed))
Coloquei no GitHub para referência futura.
Desta forma informa-se que um membro específico deve não receber o padding. Isto é mais flexível mas pode ser inseguro em certas plataformas.
Empacotar membros é arriscado e se não souber bem o que está fazendo poderá ter resultados inesperados. Bom, quase tudo em C e C++, mas alguns recursos são mais arriscados.
Mesmo a forma considerada padrão não é considerada portável.
Obviamente podemos usar o operador sizeof
para descobrir o tamanho real do dado. Este operador devolve sempre o tamanho exato que o dado ocupa na memória e não a soma de seus membros. Ou seja, ele considera o preenchimento.
Reforço que raramente estes procedimentos são necessários. Quase sempre a tentativa de empacotar estruturas é otimização prematura. Por tornar o uso das estruturas menos intuitivo a recomendação é evitar até que se prove ser fundamental.
Artigo na Wikipedia.
Artigo interessante.