C语言结构体内存对齐问题

一、内存对齐的基本原则

1、成员对齐规则

        每个成员的起始地址必须是其类型大小的整数倍（或指定对齐值的整数倍）

 例如：

• char（1字节）可以放在任意地址
• short（2字节）必须从偶地址开始（如0x0000、0x0002）
• int（4字节）必须从4的倍数地址开始（如0x0000、0x0004）
• double（8字节）必须从8的倍数地址开始

2、结构体整体对齐规则

结构体的总大小必须是最宽成员类型大小的整数倍（或指定对齐值的整数倍）

如果结构体包含嵌套结构体，嵌套结构体的对齐要求以内部结构体的最大对齐值为准

二、内存对齐示例

示例1：基础对齐

struct Example1 {
    char a;     // 1字节（地址0x0000）
    // 填充3字节（0x0001~0x0003）
    int b;      // 4字节（地址0x0004）
    // 总计：8字节（1 + 3 + 4）
};

原因：int需要3字节对齐，因此a后填充3字节，使b从地址4开始

总大小：sizeof(struct Example1) = 8

示例2：调整成员顺序

struct Example2 {
    int b;      // 4字节（地址0x0000）
    char a;     // 1字节（地址0x0004）
    // 填充3字节（0x0005~0x0007）
};

原因：调整顺序后，a后的填充减少，但结构体总大小仍需对齐到4字节的倍数

总大小：sizeof(struct Example2) = 8

示例3：嵌套结构体

struct Example3 {
    char a;         // 1字节（地址0x0000）
    // 填充3字节（0x0001~0x0003）
    struct Example1 inner;  // 最宽成员为int（4字节）
    // inner的起始地址为0x0004
};

原因：Example1结构体内的最大对齐值为int，即4字节

总大小：sizeof(struct Example3) = 12（1+3+8）

三、控制对齐方式

1、使用#pragma pack(n)指定对齐值

通过预编译指令#pragma pack(n)可以显式指定对齐方式：

#pragma pack(1)  // 禁用对齐填充
struct Packed {
    char a;
    int b;
};
#pragma pack()   // 恢复默认对齐

• 结果：sizeof(struct Packed) = 5 (1 + 4)
• 注意：此方式可能导致性能下降或硬件异常（如ARM平台不允许未对齐访问）

2、使用offsetof宏查看偏移量

标准库<stddef.h>中的offsetof(type, number)可以计算成员相对于结构体起始地址的偏移：

#include <stddef.h>
offsetof(struct Example1, b);  // 返回4

四、内存对齐的原因

1、硬件限制

• 某些处理器（如ARM）不允许访问未对齐的内存地址，强行访问会出发硬件异常
• x86/x64平台虽然支持未对齐内存访问，但效率较低

2、性能优化

• 对齐的内存，访问时可以减少CPU访问次数（如读取4字节对齐的int只需要一次访问，未对齐可能需要两次）
• 缓存行对齐可以减少缓存冲突