C語言結構體內存對齊與大小計算詳解

C語言結構體內存對齊與大小計算詳解

sizeof(struct) 的結果往往不等於成員大小之和，原因在於**內存對齊**。本文通過三個具體例子，圖解結構體在內存中的佈局規則，並總結影響大小的關鍵因素。

對齊基本規則

1. 成員偏移量必須是該成員類型大小的整數倍（或編譯器指定的對齊數）；
2. 結構體總大小必須是**最大成員類型大小**（或指定對齊數）的整數倍；
3. 編譯器會在成員之間、結構體末尾插入**填充字節**以滿足上述要求。

案例演示（假設 32 位系統：int=4, short=2, char=1，最大對齊數=4）

案例 1：成員順序 char → int → short

struct A { char a; int b; short c; };

內存佈局（每格 1 字節，共 3 個單元，每單元 4 字節）：

單元0: a | 填充 | 填充 | 填充   ← a 偏移 0，int 需 4 字節對齊，故 a 後填 3 字節
單元1: b | b | b | b                 ← int 佔 4 字節
單元2: c | c | 填充 | 填充           ← short 佔 2 字節，結構體總大小須 4 的倍數，再填 2 字節

sizeof = 12 字節

案例 2：成員順序 char → short → int

struct B { char a; short c; int b; };

單元0: a | c | c | 填充   ← a(1) + short(2) = 3，int 需 4 字節對齊，填 1 字節
單元1: b | b | b | b                 ← int 佔滿一單元

sizeof = 8 字節 —— **同樣成員，不同順序，節省 4 字節！**

案例 3：全 char 類型

struct C { char a; char b[2]; char c[4]; };

單元0: a | b[0] | b[1] | c[0] | c[1] | c[2] | c[3]   ← 連續排列，無填充

sizeof = 7 字節 —— 無對齊壓力，最緊湊。

關鍵發現

• 成員聲明順序直接影響大小：將大類型集中、小類型聚合，可減少填充；
• 嵌套結構體**遞歸應用對齊規則**；
• #pragma pack(n) 可強制指定對齊數（1/2/4/8/16），但可能導致非對齊訪問性能下降或硬件異常（部分架構）；
• C11 alignas/alignof 提供標準化對齊控制。