结构体嵌套的内存对齐问题：嵌套与扁平结构体布局是否一致？

问题描述 #

我在自己机器上运行附带的程序，输出是1、2、3、4。这种行为是普遍预期的吗？下面两种结构体的内存填充（padding）会不会因为嵌套特性而存在差异？

嵌套结构体 #

struct {
    Vector position;
    Vector velocity;
    Vector acceleration;
};

扁平结构体 #

struct {
    double x;
    double y;
    double dxdt;
    double dydt;
};

一般来说，所有成员都是同一类型Type的结构体：

struct {
 Type member1;
 Type member2;
 ... 
 Type memberN;
}

和下面这种分组嵌套的结构体，内存布局是否完全相同？

struct {
 struct group1 { 
    Type member1;
    Type member2;
    ...
    Type memberI};
 };
 struct group2 { 
    Type memberIplus1;
    Type memberIplus2;
    ...
    Type memberIplusJ};
 };
 ...
 struct groupM {
    ...
    Type memberN
 };
}

测试程序 #

#include <stdio.h>

typedef struct vector {
    double x;
    double y;
} Vector;

typedef union {
    struct {
        Vector position;
        Vector velocity;
        Vector acceleration;
    };
    struct {
        double x;
        double y;
        double dxdt;
        double dydt;
    };
} State;


int main() {
 State state = {
    .position = {1,2},
    .velocity = {3,4},
 };
 printf("%0.f\n",state.x);
 printf("%0.f\n",state.y);
 printf("%0.f\n",state.dxdt);
 printf("%0.f\n",state.dydt);
 return 1;
}

解答 #

你机器上输出1、2、3、4的情况，在大多数常见编译器（比如GCC、Clang、MSVC）的默认设置下是符合预期的，但这并不是C标准强制要求的行为。

嵌套与扁平结构体的填充差异 #

针对你给出的示例：Vector是包含两个double的结构体，它本身的大小是16字节（两个8字节的double，内部无填充），所以嵌套结构体里的position、velocity会连续排布，和扁平结构体里四个double的连续排布内存完全重合，此时两者填充无差异。

但如果嵌套的子结构体本身因为对齐要求带有末尾填充，情况就会不同：比如假设Type是4字节的int，某个子结构体包含3个int，为了满足8字节对齐要求，编译器会给这个子结构体额外加4字节填充，此时嵌套版本的总大小会比扁平版本大，内存布局自然出现差异。

通用情况的内存布局一致性 #

当所有成员都是同一类型Type时，只有当每个嵌套的子结构体内部没有额外填充，且子结构体大小是Type大小的整数倍时，嵌套版本和扁平版本的内存布局才会完全一致：

• 如果子结构体的成员数量符合对齐要求，没有末尾填充，嵌套后成员会连续排布，和扁平版本一致；
• 如果子结构体有末尾填充，嵌套版本会在每个子结构体后带上填充字节，这就和扁平版本的连续成员布局产生差异。

关于你的测试程序 #

你的程序用了匿名union让两个结构体共享内存，主流编译器默认会让匿名结构体的成员直接布局在union的起始地址，所以position.x对应x、position.y对应y、velocity.x对应dxdt、velocity.y对应dydt，才输出了1、2、3、4。但这种匿名结构体/union的布局属于编译器扩展，C标准并没有明确规定，所以在小众编译器或特殊编译选项下，结果可能不同。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Angelos