C語言結構體對齊
C語言結構體對齊也是老生常談的話題了。基本上是面試題的必考題。内容雖然很基礎，但一不小心就會弄錯。寫出一個struct，然後sizeof，你會不會經常對結果感到奇怪？sizeof的結果往往都比你聲明的變量總長度要大，這是怎麼回事呢？結合網上的資料和自己的程式設計實踐，總結如下。
首先考慮一個問題，為什麼要設計記憶體對齊的處理方式呢？如果體系結構是不對齊的，成員将會一個挨一個存儲，顯然對齊更浪費了空間。那麼為什麼要使用對齊呢？體系結構的對齊和不對齊，是在時間和空間上的一個權衡：對齊節省了時間。假設一個體系結構的字長為w，那麼它同時就假設了在這種體系結構上對寬度為w的資料的處理最頻繁也是最重要的。它的設計也是從優先提高對w位資料操作的效率來考慮的。
既然記憶體對齊是必要的，那麼結構體到底是怎樣對齊的呢？
（在沒有定義#pragma pack宏的情況下）：
原則1、資料成員對齊規則：結構（struct或聯合union）的資料成員，第一個資料成員放在offset為0的地方，以後每個資料成員按其類型大小和預設對齊參數(32位系統通常預設按4位元組對齊)中較小的一個對齊。每個成員的起始位址%每個成員的自身對齊值=0，否則補空直至滿足條件。比如對于char型資料，其自身對齊值為1，對于short型為2，對于int型為4，double型在32位機大小為8位元組、系統預設對齊方式是4位元組，取其較小者，是以其對齊值是4。
原則2、結構體作為成員：如果一個結構裡有結構體成員，則按照其成員中自身對齊值最大的那個值對齊。（struct a裡存有struct b，b裡有char，int，double等元素，那b應該從4的整數倍開始存儲。）
原則3、收尾工作：結構體的總大小，也就是sizeof的結果，必須為所用過的最大對齊參數的整數倍，不夠就補空位元組。比如在32位系統中最大對齊參數是4，如果一個結構中有類型為int、long、float、double等長度等于或大于4的成員，則其總大小必須是4的整數倍。
這三個原則具體怎樣了解呢？我們看下面幾個例子，通過執行個體來加深了解。
例1：
typedef struct _A {
short a1;
short a2;
short a3;
}A;
typedef struct _B{
long a1;
short a2;
}B;
sizeof(A) = 6; 這個很好了解，三個short對齊方式都是2。
sizeof(B) = 8; 這個是不是比預想的大2個位元組？long為4，short為2，整個為8，因為原則3。
例2：
typedef struct _A{
int a;
char b;
short c;
}A;
typedef struct _B{
char b;
int a;
short c;
}B;
sizeof(A) = 8; int為4，char為1，short為2，這裡用到了原則1和原則3。
sizeof(B) = 12; 是否超出預想範圍？char為1，int為4，short為2，怎麼會是12？還是原則1和原則3。
深究一下，為什麼是這樣，我們可以看看記憶體裡的布局情況。
a b c
A的記憶體布局：1111, 1*, 11
b a c
B的記憶體布局：1***, 1111, 11**
其中星号*表示填充的位元組。A中，b後面為何要補充一個位元組？因為c為short類型，其起始位置要為2的倍數，就是原則1。c的後面沒有補充，因為b和c正好占用4個位元組，整個A占用空間為4的倍數，也就是最大成員int類型的倍數，是以不用補充。
B中，b是char為1，b後面補充了3個位元組，因為a是int為4，根據原則1，起始位置要為4的倍數，是以b後面要補充3個位元組。c後面補充兩個位元組，根據原則3，整個B占用空間要為4的倍數。如果c後面不補充，整個B的空間為10，不符，是以要補充2個位元組。
再看一個結構中含有結構成員的例子：
例3：typedef struct _A{
int a;
double b;
float c;
}A;
typedef struct _B{
char e[2];
int f;
double g;
short h;
A i;
}B;
sizeof(A) = 16; 這個比較好了解，int為4，double為8，float為4，double對齊方式取了較小的預設方式，按4位元組對齊。是以整個A的大小為16。
sizeof(B) = 36; 看看B的記憶體布局。
e f g h i
B的記憶體布局：11* *, 1111, 11111111, 11 * * , 1111, 11111111, 1111
i其實就是A的記憶體布局。i的起始位置要為4的倍數，是以h後面要補齊。把B的記憶體布局弄清楚，有關結構體的對齊方式基本就算掌握了。
以上講的都是沒有#pragma pack宏的情況，如果有#pragma pack宏，那麼對齊方式就要按照宏的定義來。比如上面的結構體前加#pragma pack(1)，記憶體的布局就會完全改變。sizeof(A) = 16; sizeof(B) = 32;
有了#pragma pack(1)，記憶體不會再遵循原則1和原則3了，按1位元組對齊。沒錯，這不正是理想中的沒有記憶體對齊的世界嗎？！
a b c
A的記憶體布局：1111, 11111111, 1111
e f g h i
B的記憶體布局：11, 1111, 1111111, 11 , 1111, 11111111, 1111
那#pragma pack(2)的結果又是多少呢？#pragma pack(8)呢？留給大家自己思考吧，相信沒有問題。
還有一種常見的情況，結構體中含位域字段。位域成員不能單獨被取sizeof值。C99規定int、unsigned int和bool可以作為位域類型，但編譯器幾乎都對此作了擴充，允許其它類型類型的存在。
使用位域的主要目的是壓縮存儲，其大緻規則為：
1) 如果相鄰位域字段的類型相同，且其位寬之和小于類型的sizeof大小，則後面的字段将緊鄰前一個字段存儲，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域字段的類型相同，但其位寬之和大于類型的sizeof大小，則後面的字段将從新的存儲單元開始，其偏移量為其類型大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域字段的類型不同，則各編譯器的具體實作有差異，gcc通常采用壓縮的方式；
4) 如果位域字段之間穿插着非位域字段，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小為對齊方式的整數倍。對齊方式去最寬基本類型成員大小和預設對齊方式的較小者。
還是讓我們來看看例子。
例4：typedef struct _A{
char f1 : 3;
char f2 : 4;
char f3 : 5;
}A;
a b c
A的記憶體布局：111, 1111 *, 11111 * * *
位域類型為char，第1個位元組僅能容納下f1和f2，是以f2被壓縮到第1個位元組中，而f3隻能從下一個位元組開始。是以sizeof(A)的結果為2。
例5：typedef struct _B{
char f1 : 3;
short f2 : 4;
char f3 : 5;
}B;
由于相鄰位域類型不同，在VC6中其sizeof為6，在gcc中為2。
如果是
typedef struct _B{
char f1 : 3;
int f2 : 4;
char f3 : 5;
}B;
在gcc中大小則是4，它們仍然被壓縮在了一起，但是長度必須是基本類型int型大小的整數倍；
如果是
typedef struct _B{
char f1 : 3;
long long f2 : 4;
char f3 : 5;
}B;
在32位系統，gcc編譯後大小仍然是4，它們仍然被壓縮在了一起。雖然long long大小是8，但預設對齊參數是4；
例6：struct C{
char f1 : 3;
char f2;
char f3 : 5;
};
非位域字段穿插在其中，不會産生壓縮，在VC6和gcc中得到的大小均為3。
最後順便提一點，在設計結構體的時候，一般會尊照一個習慣，就是把占用空間小的類型排在前面，占用空間大的類型排在後面，這樣可以相對節約一些對齊空間。
![241 Different Ways to Add Parentheses（C代碼版）[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)