C 語言結構體內存對齊詳解：從基本原理到實戰計算

前言：為什麼 sizeof 不等於成員大小之和？

[c]
struct student {
    char name[20];
    int age;
    char sex;
    char phone[15];
};
// sizeof = 40? 實際 44
// 若 phone[16] -> sizeof = 44? 實際 48

這就是**內存對齊**在作祟。CPU 訪問內存時，按字長（4/8 字節）對齊能顯著提升效率，編譯器自動插入填充字節。

核心規則

1. 對齊基準：結構體中**基本類型**（非數組/結構體）的最大尺寸。如 int 4 字節 → 4 字節對齊；double 8 字節 → 8 字節對齊。
2. 成員對齊：每個成員相對結構體起始地址的偏移量，必須是該成員大小的整數倍（或對齊基準的整數倍，取較小者）。
3. 整體對齊：結構體總大小必須是對齊基準的整數倍，尾部填充。
4. 嵌套結構體：以嵌套結構體中**最大基本類型**為準，而非嵌套結構體總大小。

經典案例逐步推演

案例 1：基本類型混合

[c]
struct A { char c; double d; char ch; };
// 最大基本類型 double(8) -> 對齊基準 8
// c: offset 0, size 1
// d: offset 8 (對齊到 8), size 8
// ch: offset 16, size 1
// 總大小 24 (尾部填充到 24，24%8==0)

案例 2：調整順序省空間

[c]
struct B { double d; char c; char ch; };
// d: offset 0, size 8
// c: offset 8, size 1
// ch: offset 9, size 1
// 總大小 16 (c/ch 共用一個 8 字節槽，尾部填充到 16)

結論：將大類型集中放置、小類型聚合，可減少填充，節省內存。

案例 3：數組與結構體

[c]
struct score { float eng, math, comp; }; // 基本類型 float(4)，對齊基準 4，大小 12
struct student {
    char name[10];  // 數組，非基本類型
    int age;        // 基本類型 int(4)
    char sex;       // 基本類型 char(1)
    struct score s; // 嵌套結構體，最大基本類型 float(4)
};
// 對齊基準 = max(int, float) = 4
// 逐個計算偏移，最終 sizeof = 28 (或 32 視編譯器)

案例 4：聯合體

[c]
union U { int i; char c; char str[9]; };
// 聯合體大小 = 最大成員(9) -> 對齊到 4 的倍數 = 12
struct S { int i; char c; char str[9]; };
// 結構體大小 = 4+1+9=14 -> 對齊到 4 的倍數 = 16

實用技巧：#pragma pack 強制對齊

[c]
#pragma pack(push, 1)  // 1 字節對齊（緊湊模式）
struct Packed { char c; int i; };
#pragma pack(pop)
// sizeof = 5，但訪問 i 可能觸發非對齊訪問異常（ARM）或性能下降（x86）

適用場景：網絡協議報文、文件格式、共享內存——需精確控制佈局，且確認目標平台支援非對齊訪問。

總結速查表