C语言结构体中的对齐问题

最近上一门名为《数字图像处理》的课程，今天打算做一个小实验：将一张BMP图像的每一个像素都置换成相补的颜色值（255-当前像素值）。题目很简单，为阅读相关网页，了解了一下BMP图像头的相关信息，定义了如下结构体：

typedef  struct  BITMAPFILEHEADER
{
    short int  bfType;         //位图文件的类型，必须为BM
    long       bfSize;         //文件大小，以字节为单位
    short int  bfReserverd1;   //位图文件保留字，必须为0
    short int  bfReserverd2;   //位图文件保留字，必须为0
    long       bfbfOffBits;    //位图文件头到数据的偏移量，以字节为单位
}BITMAPFILEHEADER;


typedef  struct  BITMAPINFOHEADER
{
    long        biSize;                 //该结构大小，字节为单位
    long        biWidth;                //图形宽度以象素为单位
    long        biHeight;               //图形高度以象素为单位
    short int   biPlanes;               //目标设备的级别，必须为1
    short int   biBitcount;             //颜色深度，每个象素所需要的位数
    long        biCompression;          //位图的压缩类型
    long        biSizeImage;            //位图的大小，以字节为单位
    long        biXPelsPermeter;        //位图水平分辨率，每米像素数
    long        biYPelsPermeter;        //位图垂直分辨率，每米像素数
    long        biClrUsed;              //位图实际使用的颜色表中的颜色数
    long        biClrImportant;         //位图显示过程中重要的颜色数
}BITMAPINFOHEADER;


typedef  struct BITMAP
{
    BITMAPFILEHEADER  file;    //文件信息区
    BITMAPINFOHEADER  info;    //图象信息区
}BITMAP;

(注:结构体的定义参考了http://blog.youkuaiyun.com/courage89/article/details/7187255和http://blog.youkuaiyun.com/zhaozidong86/article/details/6628469)

BMP的图像头大小为54字节(十六进制36H)。为了防止出错（其实是第一次的测试结果有点不正常），我仔细查看了一下结构体定义的准确性。

结果出人意料：

可以自习数一下上面结构体的定义，BITMAPFILEHEADER的字节数应该是0DH，而不应该是10H。

为什么会出现这种情况呢？

我的猜想是结构体内部存在对齐。换句话说，编译器为了物理结构上处理的方便，在结构体内部空余了部分位置。由于结构体中只有2字节和4字节数据，最可能的就是四字节对齐。

为此，我将BITMAPFILEHEADER稍作改变:

结果是:

可以看见，我在2（+2）+4+2+2的本已对齐的基础上多添加一个大小为2字节的字段，结构体的总大小却增加了4字节。这个结果证实了我的想法。

为了进一步证实我的想法， 我又对这个结构体做了如下修改：

现在结构体的字段变成了2+2+4+2+2+4的已对齐的格式，我的猜想是其字节大小为10H。结果如下：

实验的结果跟预测结果是吻合的。

那么，结论是，C语言结构体在内部确实存在对齐规则。

上述实验是在Codeblocks 12.11环境下进行的，编译器是CB默认的GNU-GCC。那么在WIndows的VC环境下，是不是有同样的结果呢？

以下分别是上述情况的运行结果:

可见，VC的结构体内部也是存在对齐规则的。

结构体内部对齐的好处是编译器更为方便的内存管理，但这种编译器的自动优化，却给程序设计者带来很多问题。带给我最直接的问题是，我不能通过

这种简单的方式读取图像的文件头和信息头数据。

那么该如何改进呢？当然对结构体的每个字段都单独读取是可行的，这样会添加不少几乎重复的代码，却是一个百试百灵的绝招。另一个针对本次实验特定问题的处理方法是，首先对没有对齐的数据单独读取内容（本实验中，只有BITMAPFILEHEADER），对剩下的内容小心设置每次读取数据的数量，即可险中求胜。