Anggota Structure, Padding, dan Data Packing Bahasa C

Pada artikel ini akan dipelajari tentang data alignment, structure packing dan padding pada Bahasa C.

Sebelum memahami lebih dalam materi tentang Anggota Structure, Padding, dan Data Packing Bahasa C, terlebih dahulu pelajari materi tentang: Struct Hack Bahasa C dan Penjelasannya, Union Bahasa C dan Penjelasannya, dan Struct Bahasa C dan Penjelasannya.

Contoh: Perkirakan hasil output dari contoh program berikut.

#include <stdio.h>

// Alignment requirements

// (typical 32 bit machine)

// char 1 byte

// short int 2 bytes

// int 4 bytes

// double 8 bytes

// struct A

typedef struct structa_tag

{

char c;

short int s;

} structa_t;

// Struct B

typedef struct structb_tag

{

short int s;

char c;

int i;

} structb_t;

// Struct C

typedef struct structc_tag

{

char c;

double d;

int s;

} structc_t;

// Struct D

typedef struct structd_tag

{

double d;

int s;

char c;

} structd_t;

int main()

{

printf("sizeof(structa_t) = %lu\n",

sizeof(structa_t));

printf("sizeof(structb_t) = %lu\n",

sizeof(structb_t));

printf("sizeof(structc_t) = %lu\n",

sizeof(structc_t));

printf("sizeof(structd_t) = %lu\n",

sizeof(structd_t));

return 0;

}

Data Alignment: Setiap tipe data pada Bahasa C dan C++ selalu memiliki persaraan alignment pada penggunaannya. Sebuah prosesor akan memproses nilai panjang huruf sama seperti nilai ukuran data bus-nya. Pada komputer dengan prosesor 32, maka proses ukuran kata akan mengambil nilai memori sebesar 4 bytes.

Awalnya, memori merupakan alamat byte yang diatur secara sekuensial. Jika memori yang telah diatur sebagai sebuah bank atau penampung tunggal dari satu buah lebar byte, maka prosesor membutuhkan hal tersebut untuk untuk mengeluarkan 4 siklus baca memori untuk mengambil integer. Hal ini jauh lebih efisien untuk membaca semua ukuran 4 bytes integer pada perputaran memori yang digunakan. Untuk lebih jauh, suatu memori akan diatur dalam suatu kelompok yang terdiri dari 4 buah penampung.

Baca Juga:

• Operasi Pada Variabel Struct Bahasa C
• Bit Fields Bahasa C Beserta Penjelasannya
• Anggota Array Fleksibel Struct Pada Bahasa C
• Perbedaan Antara Struct dan Union pada Bahasa C

Suatu alamat memori akan selalu diurutkan secara sekuensial, jika nilai penampung adalah 0 yang menempati alamat X, maka penampung 1, penampung 2, dan penampung 3 akan berada di alamat (X + 1), (X + 2) dan (X + 3). Jika integer 4 byte dialokasikan pada alamat X yang merupakan kelipatan dari nilai 4, maka prosesor hanya memerlukan satu siklus memori untuk membaca seluruh bilangan bulat. Sedangkan, jika bilangan bulat dialokasikan pada alamat selain kelipatan 4, maka bilangan bulat tersebut akan membentang di dua baris penampung, dimana tipe integer tersebut membutuhkan dua siklus baca memori untuk mengambil data.

Sebuah variabel data alignmt berhadapan dengan sebuah jalur data yang disimpan pada penampung tersebut. Contoh, nilai perataan natural dari int pada komputer 32-bit adalah 4 bytes. Ketika sebuah tipe data secara alami telah diratakan, maka CPU akan melakukan fetch pada nilai perputaran minimum.

Hal tersebut sama halnya dengan nilai perataan alami dari short int sebesar 2 bytes. Hal ini berarti bahwa sebuah short int dapat disimpan pada penampung 0 – penampung bank 1 atau penampung 2 dan atau penampung 3. Sebuah nilai double pada tipe data membutuhkan ukuran memori sebesar 8 bytes, atau setara dua nilai baris pada memori penampung. Setiap nilai perataan yang salah atau misalignment dari nilai double akan memaksa dua proses perputara untuk fetch data double.

Catatan: sebuah variabel dengan nilai double akan dialokasikan pada nilai memori sebesar 8 byte pada tipe prosesor 32 bit dan membutuhkan dua proses perputaran memori. Sedangkan pada prosesor tipe 64, berdasarkan nilai dari penampung, dimana variabel dengan tipe double akan dialokasikan pada nilai 8 byte dan hanya membutuhkan satu kali proses perputaran baca memori.

Structure Padding: Pada bahasa C dan C++ sebuah structure digunakan untuk melakukan pembungkusan data atau data pack. Hal ini tidak menyediakan proses enkapsulasi data apapun atau penyembunyian fitur data apapun, sedangkan pada C++ terjadi pengecualian terhadap nilai semantik yang sama dengan class. Karena persyaratan nilai alignment dari verbagai tipe ata, maka setiap anggota struct harus secara alami telah diratakan, dimana anggota dari struct dialokasikan urut secara meningkat.

Untuk kenyamanan, asumsikan setiap tipe struct dari variabel dialokasikan ke tipe ukuran 4 byte seperti 0x0000), dan seterusnya. Nilai dasar alamat dari struct kemudian dilipatgandakan dari angga 4, walaupun sifatnya tidak selalu dibutuhkan.

Structure A

Elemen pertama structa_t first adalah tipe char yang merupakan one byte perataan, yang diikuti dengan nilai short int. short int adalah 2 byte nilai perataan. Jika nilai elemen hort int elemen segera dialokasikan setelah nilai elemen char, maka hal tersebut akan dimulai pada nilai alamat pada angka ganjil. Kompilator kemudian akan memasukkan sebuah padding byte setelah nilai char untuk memastikan bahwa nilai short int akan memiliki nilai alamat berkalilipat dari kelipatan 2. Nilai total dari structa_t merupakan ukuran dari sizeof(char) + 1 (padding) + sizeof(short), 1 + 1 + 2 = 4 bytes.

Structure B

Anggota pertama dari structb_t adalah short int yang diikuti oleh nilai char. Karena char dapat berada pada batas byte apa pun, maka tidak diperlukan padding di antara nilai short int dan char, sehingga totalnya menempati nilai 3 byte. Anggota berikutnya adalah int. Jika int dialokasikan secara segera, maka hal tersebut akan dimulai pada batas byte ganjil. Dibutuhkan 1 byte padding setelah anggota char untuk membuat alamat anggota int berikutnya selaras dengan nilai 4 byte. Secara total, structb_t membutuhkan 2 + 1 + 1 (padding) + 4 = 8 byte.

Structure C – Setiap struct akan memiliki nilai persyaratan alignment

Menerapkan analisis yang sama, structc_t membutuhkan sizeof (char) + 7 byte padding + sizeof (double) + sizeof (int) = 1 + 7 + 8 + 4 = 20 byte. Namun, sizeof (structc_t) akan menjadi 24 byte. Oleh karena itu, bersama dengan anggota struct, variabel tipe struct juga akan memiliki keselarasan alami. 

Contoh, dideklarasikan array structc_t seperti yang ditunjukkan berikut:
structc_t structc_array[3];

Asumsikan alamat dasar structc_array adalah 0x0000 untuk perhitungan yang mudah. Jika structc_t menempati 20 (0x14) byte seperti yang dihitung, maka elemen array structc_t kedua (diindeks pada 1) akan berada pada 0x0000 + 0x0014 = 0x0014. Ini adalah alamat awal elemen array indeks 1. Anggota double dari structc_t ini akan dialokasikan pada 0x0014 + 0x1 + 0x7 = 0x001C (desimal 28) yang bukan kelipatan 8 dan bertentangan dengan persyaratan penyelarasan double. Seperti yang disebutkan sebelumnya, bahwa persyaratan penyelarasan double adalah 8 byte.

Untuk menghindari ketidaksejajaran seperti hal tersebut, maka kompilator akan memperkenalkan persyaratan penyelarasan ke setiap struct yang digunakn. Dimana hal ini akan menjadi anggota struktur terbesar. Dalam kasus penyelarasan structa_t nilai yan digunakan adalah 2, structb_t adalah 4 dan structc_t adalah 8. Jika kita membutuhkan nested struct, maka ukuran struct dalam terbesar akan menjadi penyelarasan langsung dari struktur yang lebih besar.

Dalam structc_t dari program yang dijelaskan sebelumnya, akan ada padding 4 byte setelah anggota int untuk membuat ukuran struktur kelipatan dari perataannya. Jadi, ukuran (structc_t) adalah 24 byte, dimana hal ini dapat menjamin keselarasan yang benar bahkan dalam array.

Structure D – Cara mengurangi padding

Telah dipahami bahwa penggunaan padding merupakan sesuatu yang tidak dapat dihindari pada Bahasa C. Namun ada cara untuk meminimalkan penggunaan padding tersebut pada Bahasa C, dimana Pemrogram harus mendeklarasikan anggota struktur dalam urutan peningkatan atau penurunan nilai ukurannya. Contohnya adalah structd_t yang diberikan dalam kode dengan nilai ukuran 16 byte sebagai nilai pengganti 24 byte structc_t.

Structure Packing

Terkadang merupakan suatu hal yang wajih dilakukan untuk menghindari penggunaan padding yang terdapat diantara anggota struct. Misalnya membaca isi header file ELF atau header file BMP atau JPEG. Untuk melakukan hal tersebut maka diperlukan pendefinisian struct yang mirip dengan tata letak tajuk dan memetakannya. Namun, kehati-hatian harus selalu dilakukan dalam mengakses anggota tersebut. Biasanya membaca byte demi byte adalah opsi untuk menghindari pengecualian yang tidak selaras, dimana akan ada hit pada kinerja yang dilakukan tersebut. Untuk mengatasi hal tersebut, sebagian besar kompilator menyediakan ekstensi non standar untuk mematikan padding default seperti pragma atau command line switches.

Pointer Mishaps: Ada kemungkinan terjadinya kesalahan potensial saat menangani aritmatika pointer. Misalnya, mendereferensi pointer generik (void *) seperti yang ditunjukkan di bawah ini dapat menyebabkan pengecualian yang tidak selaras,

// Dereferensi pointer generic dengan cara tidak aman, dimana tidak terdapat jaminan bahwa pointer generic akan menghasilkan nila perataan integer.
*(int *)pGeneric;

Jika pointer pGeneric tidak sejajar sesuai persyaratan tipe data, maka ada kemungkinan untuk mendapatkan pengecualian yang tidak selaras. Faktanya beberapa prosesor tidak akan memiliki dua bit terakhir dari nilai decoding alamat, dan tidak ada cara untuk mengakses alamat yang tidak selaras, dimana prosesor akan menghasilkan pengecualian yang tidak selaras, jika pemrogram mencoba mengakses alamat tersebut.

Sebuah Catatan pada malloc() Returned Pointer

Pointer yang dikembalikan oleh malloc() adalah void *. Hal ini dapat dikonversi ke tipe data apa pun sesuai kebutuhan programmer. Pelaksana malloc() harus mengembalikan pointer yang disejajarkan dengan ukuran maksimum tipe data primitif yang telah ditentukan oleh kompilator. Biasanya disejajarkan dengan batas 8 byte pada mesin 32 bit.

Referensi Tambahan:

• Perbedaan Struct Bahasa C dan C++
• Anonimus Union dan Struct Bahasa C dan Penjelasannya
• Compound Literals Bahasa C Beserta Penjelasannya
• Pengurutan Struct Bahasa C Beserta Contoh Programnya
• Layout Memori Bahasa C dan Penjelasannya
• Dealokasi Memori Bahasa C Tanpa Menggunakan free()
• Perbedaan malloc() dan calloc() Bahasa C

Artikel ini didedikasikan kepada: Cuwi Nurti Ningrum, David Aldi Ramadhani, Diska Choirunnisa, Dwi Setyawan, dan Erlinda Suastika Dewi.

Location: Kota Semarang, Jawa Tengah, Indonesia

Berbagi :