一文彻底搞懂 C 结构体对齐：从原理到内存布局实战

C语言中的结构体对齐（Struct Alignment）是为了提高 CPU 访问内存的效率，编译器会按照一定的规则在结构体成员之间插入“填充字节（padding）”，使得每个成员的地址满足其对齐要求（alignment requirement） 。

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一、基本概念

• 对齐要求（Alignment Requirement） ：通常等于该类型在当前平台上的大小（但不总是）。例如：

  • char：1 字节，对齐要求为 1
  • short：2 字节，对齐要求为 2
  • int：4 字节，对齐要求为 4
  • double：8 字节，对齐要求为 8（在某些 32 位系统上可能是 4）
  • 指针：通常是 4（32 位）或 8（64 位）

• 结构体总大小：必须是其最大成员对齐要求的整数倍（即整体对齐）。

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二、对齐规则（以默认对齐方式为例）

1. 第一个成员从偏移 0 开始。
2. 后续每个成员的起始偏移必须是其自身对齐要求的整数倍。如果当前偏移不满足，则在前面填充字节。
3. 整个结构体的大小必须是结构体中最大对齐要求的整数倍。如有必要，在末尾填充。

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三、示例分析

示例 1：

struct A {
    char a;     // 1 字节
    int b;      // 4 字节
    short c;    // 2 字节
};

分析：

• a 从偏移 0 开始，占 1 字节 → 下一个可用偏移 = 1
• b 要求 4 字节对齐 → 下一个 4 的倍数是 4 → 在 1~3 插入 3 字节 padding
• b 占 4 字节（偏移 4~7）→ 下一个可用偏移 = 8
• c 要求 2 字节对齐 → 8 是 2 的倍数 → 直接放（偏移 8~9）
• 当前大小 = 10 字节
• 最大对齐 = max(1,4,2) = 4
• 总大小必须是 4 的倍数 → 向上对齐到 12

✅ sizeof(struct A) = 12

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示例 2（优化顺序减少 padding）：

struct B {
    int b;      // 4
    short c;    // 2
    char a;     // 1
};

• b：偏移 0~3
• c：偏移 4~5（4 是 2 的倍数）
• a：偏移 6（1 对齐任意地址）
• 当前大小 = 7
• 最大对齐 = 4 → 总大小需为 4 的倍数 → 补到 8

✅ sizeof(struct B) = 8（更节省空间！）

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四、如何查看/控制对齐？

1. 查看对齐值（C11 起支持）：

#include <stdalign.h>
printf("%zu\n", alignof(int)); // 输出 int 的对齐要求

2. 使用编译器指令控制对齐：

• GCC / Clang：

  struct __attribute__((packed)) S { ... }; // 禁用对齐（可能影响性能）
  struct __attribute__((aligned(8))) S { ... }; // 强制按 8 字节对齐
  

• MSVC：

  #pragma pack(push, 1)  // 1 字节对齐
  struct S { ... };
  #pragma pack(pop)
  

⚠️ 注意：强制取消对齐（如 packed）可能导致 CPU 访问未对齐数据而变慢，甚至在某些架构（如 ARM）上引发异常。

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五、总结口诀

“各就各位，对齐先行；整体补齐，最大为尊。”