结构体内存对齐规则与优化

内存对齐是计算机系统中一种重要的内存管理机制，它要求数据在内存中的地址必须是某个值（通常是2、4、8等2的幂次方）的倍数。

为什么需要内存对齐

1. 硬件要求：许多CPU只能从对齐的地址读取数据，未对齐的访问会导致性能下降或硬件异常。

2. 性能优化：对齐的数据访问通常更快，因为现代CPU的内存子系统针对对齐访问进行了优化。

3. 缓存效率：对齐数据能更好地利用CPU缓存行（cache line），减少缓存未命中。

结构体对齐规则

1. 成员对齐：每个成员相对于结构体首地址的偏移量必须是该成员类型对齐要求的整数倍。

2. 结构体大小：整个结构体的大小必须是其最宽基本类型成员大小的整数倍。

3. 嵌套结构体：嵌套结构体的对齐要求是其最大成员的对齐要求。

示例

struct example1 {char a;     // 1字节int b;      // 4字节（通常对齐到4的倍数）char c;     // 1字节
};
// 在32位系统上，大小可能是12字节（1 + 3填充 + 4 + 1 + 3填充）struct example2 {int a;      // 4字节char b;     // 1字节char c;     // 1字节
};
// 大小可能是8字节（4 + 1 + 1 + 2填充）

控制对齐方式

大多数编译器提供扩展来控制对齐：

• GCC/Clang: __attribute__((aligned(n))) 或 __attribute__((packed))

• MSVC: #pragma pack(n)

• C11标准: _Alignas 和 alignof

可以参考之前的文章：C语言结构体内存对齐使用场景-CSDN博客

实际应用建议

1. 按成员大小降序排列结构体成员可以减少填充字节。

2. 在网络传输或磁盘存储时，可能需要使用紧凑结构体（packed）来避免不同平台间的对齐差异。

3. 在性能关键代码中，确保关键数据结构正确对齐。