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= C语言结构体对齐 =

== 介绍 ==
在C语言中，'''结构体对齐'''（Structure Alignment）是指编译器在内存中排列结构体成员的方式。由于计算机硬件对内存访问的限制，合理对齐数据可以显著提高程序的性能。理解结构体对齐对于编写高效、可移植的代码至关重要。

结构体对齐的核心原则是：编译器会在结构体成员之间插入'''填充字节'''（Padding Bytes），以确保每个成员都从其'''自然对齐边界'''开始。自然对齐边界通常是成员大小与平台字长的较小值。例如，在32位系统上，<code>int</code>（4字节）通常对齐到4字节边界。

== 对齐规则 ==
以下是常见的结构体对齐规则（具体实现可能因编译器和平台而异）：
# 结构体的起始地址对齐到其最大成员的自然对齐边界。
# 每个成员必须对齐到其类型大小的整数倍地址。
# 结构体的总大小必须是其最大成员大小的整数倍（可能需要末尾填充）。

=== 示例1：基本对齐 ===
<syntaxhighlight lang="c">
#include <stdio.h>

struct Example1 {
    char a;     // 1字节
    int b;      // 4字节
    char c;     // 1字节
};

int main() {
    printf("Sizeof Example1: %zu\n", sizeof(struct Example1));
    return 0;
}
</syntaxhighlight>

'''输出（32位系统典型结果）:'''
<pre>
Sizeof Example1: 12
</pre>

'''解释:'''
* <code>char a</code>占用1字节，后插入3字节填充（使<code>int b</code>对齐到4字节边界）。
* <code>int b</code>占用4字节。
* <code>char c</code>占用1字节，后插入3字节填充（使整个结构体大小为最大成员<code>int</code>的整数倍）。

内存布局示意图：
<mermaid>
%% 结构体Example1的内存布局
graph LR
    subgraph Example1 (12字节)
        A[a:1字节] --> B[填充:3字节]
        B --> C[b:4字节]
        C --> D[c:1字节]
        D --> E[填充:3字节]
    end
</mermaid>

== 控制对齐 ==
可以通过编译器指令或属性修改默认对齐方式。

=== #pragma pack ===
<syntaxhighlight lang="c">
#pragma pack(1)  // 设置对齐为1字节
struct PackedExample {
    char a;
    int b;
    char c;
};
#pragma pack()   // 恢复默认对齐
</syntaxhighlight>

'''输出:'''
<pre>
Sizeof PackedExample: 6
</pre>

=== GCC/Clang的__attribute__ ===
<syntaxhighlight lang="c">
struct __attribute__((packed)) PackedAttrExample {
    char a;
    int b;
    char c;
};
</syntaxhighlight>

== 实际应用案例 ==
=== 案例1：网络协议头 ===
网络协议通常要求严格的内存布局以避免解析错误。例如以太网帧头：

<syntaxhighlight lang="c">
struct EthernetHeader {
    uint8_t dest_mac[6];
    uint8_t src_mac[6];
    uint16_t ethertype;
} __attribute__((packed));  // 禁止填充
</syntaxhighlight>

=== 案例2：硬件寄存器映射 ===
嵌入式系统中，寄存器组通常需要精确对齐：

<syntaxhighlight lang="c">
struct GPIO_Registers {
    volatile uint32_t MODER;    // 模式寄存器
    volatile uint32_t OTYPER;   // 输出类型寄存器
    volatile uint32_t OSPEEDR;  // 输出速度寄存器
    // ... 其他寄存器
};  // 通常不需要packed，因为寄存器地址是固定的
</syntaxhighlight>

== 数学原理 ==
结构体成员<math>m_i</math>的偏移量<math>offset_i</math>满足：
<math>
offset_i \equiv 0 \pmod{alignof(m_i)}
</math>
其中<math>alignof(m_i)</math>是成员的对齐要求。

结构体总大小<math>S</math>满足：
<math>
S \equiv 0 \pmod{\max(alignof(m_1), alignof(m_2), ..., alignof(m_n))}
</math>

== 跨平台注意事项 ==
* x86架构通常允许不对齐访问（但性能下降）
* ARM架构可能产生硬件异常
* 某些平台（如SPARC）强制要求对齐

== 最佳实践 ==
1. 按成员大小降序排列可以减少填充
2. 明确标注需要紧凑布局的结构体（如网络协议）
3. 避免直接对结构体进行二进制I/O（考虑序列化）

=== 优化排列示例 ===
<syntaxhighlight lang="c">
// 优化前（12字节）
struct Unoptimized {
    char a;
    int b;
    char c;
};

// 优化后（8字节）
struct Optimized {
    int b;
    char a;
    char c;
    // 隐式填充2字节
};
</syntaxhighlight>

== 参见 ==
* [[C语言结构体]]
* [[内存管理]]
* [[数据序列化]]

[[Category:C语言教程]]
[[Category:内存管理]]
[[Category:数据结构]]

[[Category:编程语言]]
[[Category:C]]
[[Category:C 语言结构体与联合]]