C語言結構體的對齊原則

Q：關於結構體的對齊，到底遵循什麼原則？

A：首先先不討論結構體按多少字節對齊，先看看只以1字節對齊的情況：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define PRINT_D(intValue)     printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct,member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(1)

typedef struct
{
    char    sex;
    short   score;
    int     age;
}student;

int main()
{
    PRINT_D(sizeof(student))
    PRINT_D(OFFSET(student,sex))
    PRINT_D(OFFSET(student,score))
    PRINT_D(OFFSET(student,age))
    return 0;
}

輸出：
sizeof(student) is 7
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 1
OFFSET(student,age) is 3
可以看到，如果按1字節對齊，那麼結構體內部的成員緊密排列，sizeof(char) == 1, sizeof(short) == 2, sizeof(int) == 4.

修改上面的代碼， 去掉#pragma pack語句，代碼如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define PRINT_D(intValue)     printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct,member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct
{
    char    sex;
    short   score;
    int     age;
}student;

int main()
{
    PRINT_D(sizeof(student))
    PRINT_D(OFFSET(student,sex))
    PRINT_D(OFFSET(student,score))
    PRINT_D(OFFSET(student,age))
    return 0;
}

運行結果：
sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

此時，各個成員之間就不像之前那樣緊密排列了，而是有一些縫隙。這裏需要介紹下對齊原則：

此原則是在沒有#pragma pack語句作用時的原則（不同平臺可能會有不同）：

原則A：struct或者union的成員，第一個成員在偏移0的位置，之後的每個成員的起始位置必須是當前成員大小的整數倍；

原則B：如果結構體A含有結構體成員B，那麼B的起始位置必須是B中最大元素大小整數倍地址；

原則C：結構體的總大小，必須是內部最大成員的整數倍；

依據上面3個原則，我們來具體分析下： sex在偏移0處，佔1字節；score是short類型，佔2字節，score必須以2的整數倍爲起始位置，所以它的起始位置爲2； age爲int類型，大小爲4字節，它必須以4的整數倍爲起始位置，因爲前面有sex佔1字節，填充的1字節和score佔2字節，地址4已經是4的整數倍，所以age的位置爲4.最後，總大小爲4的倍數，不用繼續填充。

繼續修改上面的代碼，增加#pragma pack語句：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define PRINT_D(intValue)     printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct, member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

#pragma pack(4)

typedef struct
{
    char    sex;
    short   score;
    int     age;
}student;

int main()
{
    PRINT_D(sizeof(student))
    PRINT_D(OFFSET(student,sex))
    PRINT_D(OFFSET(student,score))
    PRINT_D(OFFSET(student,age))
    return 0;
}

運行結果：
sizeof(student) is 8
OFFSET(student,sex) is 0
OFFSET(student,score) is 2
OFFSET(student,age) is 4

具體分析下：

有了#pragma pack(4)語句後，之前說的原則A和C就不適用了。實際對齊原則是自身對齊值(成員sizeof大小)和指定對齊值(#pragma pack指定的對齊大小)的較小者。依次原則，sex依然偏移爲0， 自身對齊值爲1，指定對齊值爲4，所以實際對齊爲1； score成員自身對齊值爲2，指定對齊值爲4，實際對齊爲2；所以前面的sex後面將填充一個1字節，然後是score的位置，它的偏移爲2；age自身對齊值爲4，指定對齊爲4，所以實際對齊值爲4；前面的sex和score正好佔用4字節，所以age接着存放；它的偏移爲4.

Q：關於位域的問題，空域到底表示什麼？
A：它表示之後的位域從新空間開始。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

#define PRINT_D(intValue)     printf(#intValue" is %d\n", (intValue));
#define OFFSET(struct, member)  ((char *)&((struct *)0)->member - (char *)0)

typedef struct 
{
    int a : 1;
    int b : 3;
    int : 0;
    int d : 2;
}bit_info;

int main()
{
    PRINT_D(sizeof(bit_info))
    return 0;
}

運行結果：
sizeof(bit_info) is 8
bit_info中的a, b佔用4個字節的前4位，到int:0; 時表示此時將填充餘下所有沒有填充的位，即剛剛的4個字節的餘下28位；int d:2; 將從第四個字節開始填充，又會佔用4個字節，所以總大小爲8.