C 編譯器位元組對齊機制深度解析與 #pragma pack 實戰

預設對齊規則（32 位元系統）

每個成員依其自然對齊需求放置：

• char：1 位元組對齊
• short：2 位元組對齊
• int, long, float：4 位元組對齊
• double：8 位元組對齊
• 結構體：以成員中最大對齊值為整體對齊單位

編譯器會在成員間插入填充位元組，並在結構體尾端補齊使總大小為對齊單位的整數倍。

範例分析

struct test {
    char x1;     // offset 0
    short x2;    // offset 2 (填充 1 byte)
    float x3;    // offset 4
    char x4;     // offset 8
}; // 尾端填充 3 bytes，總大小 12

修改對齊方式

1. #pragma pack(n)：指定 n 位元組對齊（n = 1,2,4,8,16...）。
2. #pragma pack()：恢復預設對齊。
3. GCC/Clang 屬性：__attribute__((aligned(n)))、__attribute__((packed))。

經典面試題解析

#pragma pack(8)
struct s1 { short a; long b; };       // 大小 8，b 4-byte 對齊
struct s2 { char c; s1 d; long long e; }; // 大小 24
#pragma pack()

關鍵規則：

1. 每個成員獨立對齊，取 min(成員大小, pack值)。
2. 巢狀結構體的對齊值 = 其成員中最大對齊值（此處 s1 為 4）。
3. 結構體總大小必須為所有用過的對齊值的整數倍（此處 8 的倍數）。

記憶體佈局：

s1: aa.. bbbb   (.. 表填充)
s2: c... aa.. bbbb .... eeeeeeee  (共 24 bytes)

陣列與 typedef 的對齊

陣列對齊等同其元素類型（char[3] 仍為 1-byte 對齊），typedef 不改變對齊特性。

空結構體與靜態成員

• 空結構體 sizeof == 1，確保實例位址唯一。
• 靜態成員不佔用結構體大小。