구조체 메모리 크기와 정렬, 패딩 (Struct Alignment)

구조체(Struct)의 크기는 멤버 크기의 단순 합이 아니라, 컴파일러가 메모리 정렬(Alignment)을 맞추기 위해 삽입하는 패딩(Padding)까지 더한 값이다. CPU가 데이터를 효율적으로 읽으려면 각 타입이 자신의 크기 배수 주소에 놓여야 하기 때문에, 멤버 선언 순서에 따라 같은 멤버 구성이라도 구조체 크기가 달라진다. 이 원리를 알면 sizeof 결과를 정확히 예측하고 메모리를 아끼는 멤버 배치를 설계할 수 있다.

메모리 정렬이 필요한 이유

CPU는 메모리를 1바이트씩이 아니라 워드(Word) 단위로 읽는다. 4바이트 int가 4의 배수 주소에 있으면 한 번의 접근으로 읽을 수 있지만, 어중간한 주소에 걸쳐 있으면 두 번 읽어서 조합해야 하거나, 일부 아키텍처에서는 아예 정렬 오류로 프로그램이 중단된다. 그래서 각 타입에는 정렬 요구사항(Alignment Requirement)이 있으며 보통 타입 크기와 같다. char는 1, short는 2, int와 float는 4, double과 64비트 환경의 포인터는 8이다. 컴파일러는 이 요구를 만족시키기 위해 멤버 사이에 빈 공간을 끼워 넣는데 이것이 패딩이다.

패딩이 삽입되는 규칙

규칙은 두 가지로 정리된다. 첫째, 각 멤버는 자신의 정렬 요구사항의 배수 오프셋(Offset)에 배치되며, 그 앞에 필요한 만큼 내부 패딩이 들어간다. 둘째, 구조체 전체 크기는 멤버 중 가장 큰 정렬 요구사항의 배수가 되도록 끝에 후행 패딩이 붙는다. 후행 패딩은 구조체 배열을 만들었을 때 두 번째 원소부터도 정렬이 유지되도록 하기 위한 것이다.

#include <stdio.h>

struct A {          /* 총 12바이트 */
    char c;         /* 오프셋 0 */
                    /* 패딩 3바이트 */
    int  i;         /* 오프셋 4 */
    char d;         /* 오프셋 8 */
                    /* 후행 패딩 3바이트 */
};

struct B {          /* 총 8바이트 */
    int  i;         /* 오프셋 0 */
    char c;         /* 오프셋 4 */
    char d;         /* 오프셋 5 */
                    /* 후행 패딩 2바이트 */
};

int main(void) {
    printf("%zu %zu\n", sizeof(struct A), sizeof(struct B));
    return 0;
}

두 구조체는 int 하나와 char 두 개라는 같은 멤버를 가지지만, 선언 순서 때문에 A는 12바이트, B는 8바이트가 된다. 큰 타입부터 작은 타입 순으로 배치하면 패딩이 줄어드는 경향이 있으며, 대량으로 배열에 담기는 구조체라면 이 차이가 전체 메모리 사용량과 캐시(Cache) 효율에 직접 영향을 준다.