摘要：大部分情况下我们并不需要关心结构体字段的内存布局，但是在一些特殊情况下，比如性能优化、和非托管代码交互、对结构体进行序列化等场景下，了解字段的内存布局是非常重要的。

大部分情况下我们并不需要关心结构体字段的内存布局，但是在一些特殊情况下，比如性能优化、和非托管代码交互、对结构体进行序列化等场景下，了解字段的内存布局是非常重要的。

本文写作时 最新的 .NET 正式版是 .NET 9，以后的版本不保证本文内容的准确性，仅供参考。

对齐的目的是为了 CPU 访问内存的效率，64 位系统和 32 位系统中对齐要求存在差异，下文如果没有特别说明，均指 64 位系统。

填充则是为了满足对齐要求而在字段之间或结构体末尾添加的额外字节。

结构体的对其规则同时适用于栈上和堆上的结构体结构体实例，方便起见，大部分例子将使用栈上结构体实例来演示。

一些资料是从 字段的偏移量（offset）为出发点来介绍字段的内存布局的，但笔者认为从字段的 内存地址 出发更容易理解。

由于一些资料并没有找到明确的官方的解释，笔者是在实验和推导的基础上总结出这些规则的，可能会有不准确的地方，欢迎读者在评论区指出。

本文将使用下面的方法来观察字段的内存地址：

并使用 ObjectLayoutInspector 这个开源库来观察字段的内存布局。

项目地址：https://github.com/SergeyTeplyakov/ObjectLayoutInspector

nuget 包地址：https://www.nuget.org/packages/ObjectLayoutInspector

字段顺序：字段在结构体实例中的排列顺序，默认按声明顺序排列，但可以通过StructLayoutAttribute来控制。

对齐（Alignment）：对齐需要分成三部分理解：

字段的对齐要求（alignment requirement）：指字段在内存中的地址必须是其对齐要求的倍数。对于基元类型（primitive types），对齐要求默认等于其大小，非基元类型的对齐要求取决于结构体中最大字段的对齐要求。

结构体实例的大小：必须是结构体对齐要求的整数倍。

结构体实例的起始地址：在 64 位系统中，数据的地址按 8 字节 对齐有利于提升 CPU 的访问效率，32 位系统中则为 4 字节对齐。

填充（Padding）：为了满足对齐要求，runtime 可能会在结构体实例字段之间及末尾插入填充字节。这些填充字节不会被显式声明，但会影响字段在内存中的实际布局。

下面是一个简单的示例，展示了结构体字段的默认布局：

输出结果如下：

Bar结构体包含一个Foo类型的字段foo，它的对齐要求也是 8 字节（取最大字段 long 的对齐要求），所以bar的地址也是按照 8 字节对齐（6095528248 / 8 = 761941031）。bar.foo.a和bar.foo.b的地址也满足各自的对齐要求。

Baz类包含一个Foo类型的字段foo，由于Baz是引用类型，所以它的实例在堆上分配内存。Baz的Foo类型字段也依旧需要满足 8 字节对齐要求（12885617264 / 8 = 1610702158）。

在 64 位系统中，结构体实例的起始地址默认按 8 字节对齐。

而在 32 位系统中，结构体实例的起始地址默认按 4 字节对齐。经笔者测试，CPU 为 intel 时 只按 4 字节对齐，CPU 为 AMD 时 如果结构体包含了 8 字节对齐的字段，则按 8 字节对齐，否则按 4 字节对齐。

首先在 64 位系统上运行下面的代码：

输出结果如下：

在 Windows 环境中，如果安装了 x86 版本的 .NET SDK，可以在 csproj 文件中添加以下属性来让项目运行在 32 位的环境中：

下面是 intel CPU 的输出结果：

下面是 AMD CPU 的输出结果：

偏移量（offset）是指字段相对于结构体实例起始地址的距离，决定了字段在内存中的位置。

偏移量的值取决于对齐要求和字段的顺序，会在未被顺序在前的字段占用的内存空间中取对齐要求的最小整数倍。

下面几个设计确保了不管结构体实例的起始地址如何，任意一个字段只要给定一个满足对齐要求的偏移量，就可以满足该字段的对齐要求：

对齐要求总是 2 的整数次幂。

实例的起始地址（按 8 字节 对齐）总是满足最大字段的对齐要求。

偏移量的值是对齐要求的整数倍

下面做一个简单的推导来帮助读者理解：

假设结构体中最大字段的对齐要求为 2^m（m 为

若某字段的对齐要求为 2^n（n≤m），其偏移量必为 2^n 的整数倍，记为 2^n * f（f为非负整数）。

则该字段实际地址为：

由于 2^m 必定可以被 2^n 整除（因为 n≤m），所以无论 k 和 f 取何值，上述字段地址总能被 2^n 整除。这就保证了该字段的地址总是满足其对齐要求。

因此，只要给每个字段的 偏移量 选择其 对齐要求 的整数倍，就能保证结构体任何实例、任意字段的地址都天然对齐，而无需依赖结构体起始地址的额外信息。

输出结果如下：

填充（Padding）分为两部分：

字段之间的填充：为了满足对齐要求，.NET 可能会在字段之间插入填充字节。字段之间的填充由字段的偏移量决定。

结构体末尾的填充：为了确保结构体的大小是最大字段对齐要求的倍数，.NET 可能会在结构体末尾添加填充字节。末尾填充保证了数组中连续的结构体实例在内存中也满足对齐要求。

输出结果如下：

LayoutKind：指定结构体的布局方式，可以是Sequential（按声明顺序排列）、Explicit（显式指定字段偏移量）或Auto（自动布局）。

Pack：指定结构体及其字段的对齐要求，其值必须为 0、1、2、4、8、16、32、64 或 128，否则无法编译成功，默认值为 0。** 指定Pack> 8 时， 等效于Pack = 8，因为目前版本没有任何类型的对齐要求超过 8 字节。**

结构体实例的起始地址按 8 字节 对齐（782597876240 / 8 = 97824734530）。但其大小取满足 4 字节对齐要求的最小整数倍 16 字节（ 末尾字段 c 的偏移量为 12，最小只能取到 16），并在末尾添加 3 字节的填充。

起始地址为 8 的倍数（302463314288 / 8 = 37807914286），但结构体实例的大小变为 13 字节，没有末尾填充。

如果外层的结构体采用默认字段布局则，则其实例的起始地址取决嵌套结构体的最大字段默认对齐要求，其实例大小取决该结构体的最大字段对齐要求。

此时虽然字段地址可能由于是任意值而不满足对齐要求，但结构体实例的起始地址依旧按 8 字节 对齐，且结构体实例的大小是最大字段对齐要求的整数倍。

Pack 不为 0 时，结构体实例按照 Pack 与 最大字段对齐要求 的较小值对齐

此时实例的起始地址仍然按 8 字节 对齐（468685679112 / 8 = 58585709889），但实例的大小则是 17 字节，末尾填充为 0 字节。

等效于于下面的结构体定义

默认布局的结构体实例在数组中也会按照最大字段对齐要求进行对齐。每个结构体实例的起始地址都是该结构体最大字段对齐要求的整数倍。

因此默认布局下，数组中的每个结构体的字段都是满足对齐要求的。

因为数组中结构体实例是连续存储的，如果结构体实例的字段布局进行了非默认的调整，则可能导致第二个开始的构体实例完全不满足对齐要求（包括实例的起始地址和字段地址）。

来源：opendotnet