c语言结构体对齐

C语言结构体对齐也是老生常谈的话题了。基本上是面试题的必考题。结构体到底怎样对齐？下面总结了对齐原则，在没有#pragma pack宏的情况下：

原则1、普通数据成员对齐规则：第一个数据成员放在offset为0的地方，以后每个数据成员存储的起始位置要从该成员大小的整数倍开始（比如int在32位机为４字节，则要从4的整数倍地址开始存储）。

原则2、结构体成员对齐规则：如果一个结构里有某些结构体成员，则该结构体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。（struct a里存有struct b，b里有char，int，double等元素，那b应该从8的整数倍开始存储。）

原则3、结构体大小对齐规则：结构体大小也就是sizeof的结果，必须是其内部成员中最大的对齐参数的整数倍，不足的要补齐。

补充一点，如果数组作为结构体成员，比如：char a[3]。它的对齐方式和分别写3个char是一样的，也就是说它还是按1个字节对齐。如果写： typedef char Array3[3]；Array3这种类型的对齐方式还是按1个字节对齐，而不是按它的长度3对齐。如果共用体作为结构体成员，则该共用体成员要从其内部最大元素大小的整数倍地址开始存储。

还有一种对齐原则，和上面三条一致，可以参考着理解。

成员对齐有一个重要的条件，即每个成员按自己的方式对齐。其对齐的规则是，每个成员按其类型的对齐参数(通常是这个类型的大小)和指定对齐参数(这里默认是8字节)中较小的一个对齐。并且结构的长度必须为所用过的所有对齐参数的整数倍，不够就补空字节。

这三个原则具体怎样理解呢？我们看下面几个例子，通过实例来加深理解。

例1：struct {
              short a1;
              short a2;
              short a3;
       }A;

       struct{
              long a1;
              short a2;
      }B;

sizeof(A) = 6; 这个很好理解，三个short都为2。

sizeof(B) = 8; 这个比是不是比预想的大2个字节？long为4，short为2，整个为8，因为原则3。

例2：struct A{
               int a;
               char b;
               short c;
        };

        struct B{
               char b;
               int a;
               short c;
       };

sizeof(A) = 8; int为4，char为1，short为2，这里用到了原则1和原则3。

sizeof(B) = 12; 是否超出预想范围？char为1，int为4，short为2，怎么会是12？还是原则1和原则3。

深究一下，为什么是这样，我们可以看看内存里的布局情况。

                    a        b   c
A的内存布局：1111, 1*,11

                    b       a       c
B的内存布局：1***,1111,11**

其中星号*表示填充的字节。A中，b后面为何要补充一个字节？因为c为short，其起始位置要为2的倍数，就是原则1。c的后面没有补充，因为b和c正好占用4个字节，整个A占用空间为4的倍数，也就是最大成员int类型的倍数，所以不用补充。B中，b是char为1，b后面补充了3个字节，因为a是int为4，根据原则1，起始位置要为4的倍数，所以b后面要补充3个字节。c后面补充两个字节，根据原则3，整个B占用空间要为4的倍数，c后面不补充，整个B的空间为10，不符，所以要补充2个字节。

再看一个结构中含有结构成员的例子：

例3：struct A{
               int a;
               double b;
               float c;
       };

       struct B{
              char e[2];
              int f;
              double g;  
              short h;
              struct A i;
       };

sizeof(A) = 24; 这个比较好理解，int为4，double为8，float为4，总长为8的倍数，补齐，所以整个A为24。

sizeof(B) = 48; 看看B的内存布局。

                    e         f       g                h                      i 
B的内存布局：11* *,1111,11111111, 11 * * * * * *,1111* * * *, 11111111, 1111 * * * * 。 i其实就是A的内存布局。i的起始位置要为24的倍数，所以h后面要补齐。把B的内存布局弄清楚，有关结构体的对齐方式基本就算掌握了。

以上讲的都是没有#pragma pack宏的情况，如果有#pragma pack宏，对齐方式按照宏的定义来。比如上面的结构体前加#pragma pack(1)，内存的布局就会完全改变。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;有了#pragma pack(1)，内存不会再遵循原则1和原则3了，按1字节对齐。没错，这不是理想中的没有内存对齐的世界吗。

                    a       b               c
A的内存布局：1111,11111111,1111

                    e    f       g               h   i 
B的内存布局：11,1111,11111111,11,1111, 11111111, 1111 

 那#pragma pack(2)的结果又是多少呢？#pragma pack(4)呢？留给大家自己思考吧，相信没有问题。

 还有一种常见的情况，结构体中含位域字段。位域成员不能单独被取sizeof值。C99规定int、unsigned int和bool可以作为位域类型，但编译器几乎都对此作了扩展，允许其它类型类型的存在。

使用位域的主要目的是压缩存储，其大致规则为： 
1) 如果相邻位域字段的类型相同，且其位宽之和小于类型的sizeof大小，则后面的字段将紧邻前一个字段存储，直到不能容纳为止； 
2) 如果相邻位域字段的类型相同，但其位宽之和大于类型的sizeof大小，则后面的字段将从新的存储单元开始，其偏移量为其类型大小的整数倍； 
3) 如果相邻的位域字段的类型不同，则各编译器的具体实现有差异，VC6采取不压缩方式，Dev-C++采取压缩方式； 
4) 如果位域字段之间穿插着非位域字段，则不进行压缩； 
5) 整个结构体的总大小为最宽基本类型成员大小的整数倍。

还是让我们来看看例子。

例4：struct A{ 
               char f1 : 3; 
               char f2 : 4; 
               char f3 : 5; 
       };

                    a      b          c
A的内存布局：111,1111 *,11111 * * *

位域类型为char，第1个字节仅能容纳下f1和f2，所以f2被压缩到第1个字节中，而f3只能从下一个字节开始。因此sizeof(A)的结果为2。

例5：struct B{ 
               char f1 : 3; 
               short f2 : 4; 
               char f3 : 5; 
       };

由于相邻位域类型不同，在VC6中其sizeof为6，在Dev-C++中为2。

例6：struct C{ 
               char f1 : 3; 
               char f2; 
               char f3 : 5; 
       };

非位域字段穿插在其中，不会产生压缩，在VC6和Dev-C++中得到的大小均为3。

考虑一个问题，为什么要设计内存对齐的处理方式呢？如果体系结构是不对齐的，成员将会一个挨一个存储，显然对齐更浪费了空间。那么为什么要使用对齐呢？体系结构的对齐和不对齐，是在时间和空间上的一个权衡。对齐节省了时间。假设一个体系结构的字长为w，那么它同时就假设了在这种体系结构上对宽度为w的数据的处理最频繁也是最重要的。它的设计也是从优先提高对w位数据操作的效率来考虑的。有兴趣的可以google一下，人家就可以跟你解释的，一大堆的道理。

最后顺便提一点，在设计结构体的时候，一般会尊照一个习惯，就是把占用空间小的类型排在前面，占用空间大的类型排在后面，这样可以相对节约一些对齐空间。

参考文章：

1.http://hi.baidu.com/jiyeqian/blog/item/c14e52c2a43015160ff47773.html

2.http://apps.hi.baidu.com/share/detail/125013