C語言結構體與聯合體深度解析：記憶體對齊與大小計算

結構體基本定義

// 僅定義類型，不配置記憶體
struct student {
    int num;
    char name[20];
};

變量定義與大小驗證

struct student stu;
printf("struct size: %lu\n", sizeof(stu));   // 24
printf("int size: %lu\n", sizeof(int));       // 4
printf("char[20] size: %lu\n", sizeof(char[20])); // 20

4 + 20 = 24，符合預期。

記憶體對齊陷阱

案例 1：插入 char sex

struct student {
    int num;      // 4 bytes
    char sex;     // 1 byte
    char name[20]; // 20 bytes
};

sizeof(stu) = 28  // 而非 4+1+20=25

原因：編譯器按 4 位元組對齊。sex 後需填充 3 位元組，使 name 起始位址為 4 的倍數。

案例 2：調整成員順序

struct student {
    char name[23]; // 23 bytes
    int num;       // 4 bytes
    char sex;      // 1 byte
};

sizeof = 32  // 23 -> 對齊到 24, +4 = 28, +1 -> 對齊到 32

結構體總大小必須是最大成員大小的整數倍（此處為 4），方便陣列存取。

優化技巧：重新排序成員

struct student_opt {
    int num;       // 4
    char sex;      // 1
    char name[20]; // 20
    // 共 24，sex 緊湊在 num 後，name 自然對齊
};

將大型別、對齊要求高的成員放前面，小型別放中間或利用空隙，可減少填充位元組。

聯合體

union data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};

• 所有成員共用同一塊記憶體，大小 = 最大成員大小（此處 20 位元組）。
• 同一時間只能存取一個成員，寫入 i 後讀取 f 為未定義行為（除非用於型別雙關）。
• 常用於：省記憶體、實現變體記錄、網路協議封包解析。

實務建議

1. 使用 offsetof 宏檢查成員偏移：offsetof(struct student, name)。
2. 若需精確控制對齊，可用 #pragma pack(n) 或 GCC __attribute__((packed))，但可能降低存取效能。
3. 結構體傳參建議用指標，避免大量複製開銷。
4. 聯合體搭配結構體實現「標籤聯集」：

struct packet {
    int type;      // 0=int, 1=float, 2=string
    union data payload;
};

理解記憶體對齊與聯合體特性，是編寫高效、可移植 C 程式的關鍵進階技能。