C語言結構體對齊(記憶體對齊問題)
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。內容雖然很基礎，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的結果往往都比你宣告的變數總長度要大，這是怎麼回事呢？
開始學的時候，也被此類問題困擾很久。其實相關的文章很多，感覺說清楚的不多。結構體到底怎樣對齊？
有人給對齊原則做過總結，具體在哪裡看到現在已記不起來，這裡引用一下前人的經驗（在沒有#pragma pack巨集的情況下）：
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，以後每個資料成員儲存的起始位置要從該成員大小的整數倍開始（比如int在32位機為４位元組，則要從4的整數倍地址開始儲存）。
原則2、結構體作為成員：如果一個結構裡有某些結構體成員，則結構體成員要從其內部最大元素大小的整數倍地址開始儲存。（struct a裡存有struct b，b裡有char，int，double等元素，那b應該從8的整數倍開始儲存。）
原則3、收尾工作：結構體的總大小，也就是sizeof的結果，必須是其內部最大成員的整數倍，不足的要補齊。
這三個原則具體怎樣理解呢？我們看下面幾個例子，通過例項來加深理解。
例1：struct {
short a1;
short a2;
short a3;
}A;
struct{
long a1;
short a2;
}B;
sizeof(A) = 6; 這個很好理解，三個short都為2。
sizeof(B) = 8; 這個比是不是比預想的大2個位元組？long為4，short為2，整個為8，因為原則3。
例2：struct A{
int a;
char b;
short c;
};
struct B{
char b;
int a;
short c;
};
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佈局情況。
a b c
A的記憶體佈局：1111, 1*, 11
b a c
B的記憶體佈局：1***, 1111, 11**
其中星號*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，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正好佔用4個位元組，整個A佔用空間為4的倍數，也就是最大成員int型別的倍數，所以不用補充。
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，所以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佔用空間要為4的倍數，c後面不補充，整個B的空間為10，不符，所以要補充2個位元組。
再看一個結構中含有結構成員的例子：
例3：struct A{
int a;
double b;
float c;
};
struct B{
char e[2];
int f;
double g;
short h;
struct A i;
};
sizeof(A) = 24; 這個比較好理解，int為4，double為8，float為4，總長為8的倍數，補齊，所以整個A為24。
sizeof(B) = 48; 看看B的記憶體佈局。
e f g h i
B的記憶體佈局：11* *, 1111, 11111111, 11 * * * * * *, 1111* * * *, 11111111, 1111 * * * *
i其實就是A的記憶體佈局。i的起始位置要為24的倍數，所以h後面要補齊。把B的記憶體佈局弄清楚，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巨集的情況，如果有#pragma pack巨集，對齊方式按照巨集的定義來。比如上面的結構體前加#pragma pack(1)，記憶體的佈局就會完全改變。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，這不是理想中的沒有記憶體對齊的世界嗎。
a b c
A的記憶體佈局：1111, 11111111, 1111
e f g h i
B的記憶體佈局：11, 1111, 11111111, 11 , 1111, 11111111, 1111
那#pragma pack(2)的結果又是多少呢？#pragma pack(4)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，結構體中含位域欄位。位域成員不能單獨被取sizeof值。C99規定int、unsigned int和bool可以作為位域型別，但編譯器幾乎都對此作了擴充套件，允許其它型別型別的存在。
使用位域的主要目的是壓縮儲存，其大致規則為：
1) 如果相鄰位域欄位的型別相同，且其位寬之和小於型別的sizeof大小，則後面的欄位將緊鄰前一個欄位儲存，直到不能容納為止；
2) 如果相鄰位域欄位的型別相同，但其位寬之和大於型別的sizeof大小，則後面的欄位將從新的儲存單元開始，其偏移量為其型別大小的整數倍；
3) 如果相鄰的位域欄位的型別不同，則各編譯器的具體實現有差異，VC6採取不壓縮方式，Dev-C++採取壓縮方式；
4) 如果位域欄位之間穿插著非位域欄位，則不進行壓縮；
5) 整個結構體的總大小為最寬基本型別成員大小的整數倍。
還是讓我們來看看例子。
例4：struct A{
char f1 : 3;
char f2 : 4;
char f3 : 5;
};
a b c
A的記憶體佈局：111, 1111 *, 11111 * * *
位域型別為char，第1個位元組僅能容納下f1和f2，所以f2被壓縮到第1個位元組中，而f3只能從下一個位元組開始。因此sizeof(A)的結果為2。
例5：struct B{
char f1 : 3;
short f2 : 4;
char f3 : 5;
};
由於相鄰位域型別不同，在VC6中其sizeof為6，在Dev-C++中為2。
例6：struct C{
char f1 : 3;
char f2;
char f3 : 5;
};
非位域欄位穿插在其中，不會產生壓縮，在VC6和Dev-C++中得到的大小均為3。
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，成員將會一個挨一個儲存，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。假設一個體繫結構的字長為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。有興趣的可以google一下，人家就可以跟你解釋的，一大堆的道理。
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，就是把佔用空間小的型別排在前面，佔用空間大的型別排在後面，這樣可以相對節約一些對齊空間。