C语言结构体对齐[编辑 | 编辑源代码]

介绍[编辑 | 编辑源代码]

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，int（4字节）通常对齐到4字节边界。

对齐规则[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

#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;
}

输出（32位系统典型结果）:

Sizeof Example1: 12

解释:

char a占用1字节，后插入3字节填充（使int b对齐到4字节边界）。
int b占用4字节。
char c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int的整数倍）。

内存布局示意图：

控制对齐[编辑 | 编辑源代码]

可以通过编译器指令或属性修改默认对齐方式。

#pragma pack[编辑 | 编辑源代码]

#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

输出:

Sizeof PackedExample: 6

GCC/Clang的attribute[编辑 | 编辑源代码]

struct __attribute__((packed)) PackedAttrExample {
    char a;
    int b;
    char c;
};

实际应用案例[编辑 | 编辑源代码]

案例1：网络协议头[编辑 | 编辑源代码]

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：

struct EthernetHeader {
    uint8_t dest_mac[6];
    uint8_t src_mac[6];
    uint16_t ethertype;
} __attribute__((packed));  // 禁止填充

案例2：硬件寄存器映射[编辑 | 编辑源代码]

嵌入式系统中，寄存器组通常需要精确对齐：

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

数学原理[编辑 | 编辑源代码]

结构体成员 $m_{i}$ 的偏移量 $o f f s e t_{i}$ 满足： $o f f s e t_{i} \equiv 0 (\mod a l i g n o f (m_{i}))$ 其中 $a l i g n o f (m_{i})$ 是成员的对齐要求。

结构体总大小 $S$ 满足： $S \equiv 0 (\mod \max (a l i g n o f (m_{1}), a l i g n o f (m_{2}), . . ., a l i g n o f (m_{n})))$

跨平台注意事项[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

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[编辑 | 编辑源代码]

// 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
};

参见[编辑 | 编辑源代码]