2. 结构体对齐规则：默认对齐规则、成员顺序对大小的影响、嵌套结构体的对齐

结构体对齐，说白了就是编译器在给结构体成员分配内存时，不是简单地挨个排排坐。它会根据每个成员的类型，在内存地址上做一些「对齐」处理。为什么要这么干？因为CPU读取内存时，从对齐的地址读最快。你想想看，如果CPU每次读4字节，结果你的int放在了一个奇数地址上，那它就得读两次再拼起来——效率直接打对折。

我刚开始学C语言时，总觉得对齐是编译器多管闲事。直到有一次在嵌入式项目里，我手动算结构体大小，算出来是10字节，结果sizeof告诉我12字节。当时我就懵了。嗯，从那以后，我再也不敢忽略对齐规则了。

2.1 默认对齐规则

默认对齐规则其实就三条，记牢了就行：

• 规则一：每个成员的对齐边界 = 自身大小。比如char是1字节对齐，short是2字节对齐，int是4字节对齐，double是8字节对齐。
• 规则二：结构体的总大小，必须是最大成员对齐边界的整数倍。如果最大成员是double（8字节），那结构体总大小必须是8的倍数。
• 规则三：成员按声明顺序依次存放，但会在成员之间插入填充字节（padding），以保证每个成员都落在自己的对齐边界上。

举个例子，你看这个结构体：

struct S1 {
    char a;   // 1字节
    int  b;   // 4字节
    char c;   // 1字节
};

你猜sizeof(S1)是多少？直觉上1+4+1=6字节，对吧？但实际是12字节。为什么会这样？

我来给你拆解一下：

• a占1字节，地址0
• b需要4字节对齐，所以从地址4开始，地址1~3被填充了
• c占1字节，地址8
• 结构体总大小必须是最大成员（int，4字节）的倍数，所以填充到12字节

你看，白白浪费了6个字节。我在项目中遇到过类似的情况，一个结构体里就几个字段，结果sizeof出来比预期大了一倍。当时排查了半天，才发现是成员顺序没排好。

2.2 成员顺序对大小的影响

这一点很有意思——同样的成员，换个顺序，结构体大小可能就变了。说白了，就是通过调整顺序来减少填充字节。

还是刚才那个例子，我们把成员顺序换一下：

struct S2 {
    int  b;   // 4字节
    char a;   // 1字节
    char c;   // 1字节
};

现在sizeof(S2)是多少？答案是8字节。你看：

• b占4字节，地址0~3
• a占1字节，地址4
• c占1字节，地址5
• 结构体末尾填充到8字节（4的倍数）

从12字节降到8字节，省了33%的空间。我建议你在写结构体时，养成一个习惯：把大的成员放在前面，小的成员放在后面。这样能最大程度减少填充。

再给你看一个更极端的例子：

struct S3 {
    char a;     // 1字节
    double b;   // 8字节
    char c;     // 1字节
};

struct S4 {
    double b;   // 8字节
    char a;     // 1字节
    char c;     // 1字节
};

sizeof(S3) = 24字节，sizeof(S4) = 16字节。同样的成员，只是顺序不同，差了8个字节。你想想看，如果结构体数组有1000个元素，那就是8KB的差距。在嵌入式系统里，这可不是小数目。

2.3 嵌套结构体的对齐

嵌套结构体的对齐规则，说白了就是「递归应用对齐规则」。内层结构体作为一个整体，它的对齐边界取决于它内部最大的成员。

看这个例子：

struct Inner {
    char a;     // 1字节
    int  b;     // 4字节
};  // sizeof(Inner) = 8

struct Outer {
    char c;         // 1字节
    struct Inner d; // 8字节
    char e;         // 1字节
};

sizeof(Outer)是多少？我们来算一下：

• c占1字节，地址0
• Inner的对齐边界是4（因为内部有int），所以从地址4开始放d，地址1~3填充
• d占8字节，地址4~11
• e占1字节，地址12
• 结构体总大小必须是最大成员对齐边界的整数倍。最大成员是谁？是Inner里的int（4字节），还是Outer里的成员？答案是取所有成员（包括嵌套结构体内部的成员）中最大的对齐边界。这里最大是4字节，所以总大小填充到16字节

所以sizeof(Outer) = 16字节。

再给你看一个更复杂的嵌套例子：

struct Inner2 {
    char a;     // 1字节
    double b;   // 8字节
};  // sizeof(Inner2) = 16

struct Outer2 {
    struct Inner2 d; // 16字节，对齐边界8
    char e;          // 1字节
    int  f;          // 4字节
};

sizeof(Outer2) = 24字节。为什么？

• d从地址0开始，占16字节（地址0~15）
• e占1字节，地址16
• f需要4字节对齐，所以从地址20开始，地址17~19填充
• f占4字节，地址20~23
• 最大对齐边界是8（Inner2里的double），24是8的倍数，正好

好了，关于结构体对齐的规则，我就讲到这里。说白了就是三件事：成员要对齐到自己的边界、结构体总大小要对齐到最大成员的倍数、嵌套时要递归考虑。记住这些，你在实际项目中就不会被sizeof坑到了。