C语言从入门到实战——结构体与位段
结构体与位段
- 前言
- 一、结构体类型的声明
- 1.1 结构体
- 1.1.1 结构的声明
- 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
- 1.2 结构的特殊声明
- 1.3 结构的自引用
- 二、 结构体内存对齐
- 2.1 对齐规则
- 2.2 为什么存在内存对齐
- 2.3 修改默认对齐数
- 三、结构体传参
- 四、 结构体实现位段
- 4.1 什么是位段
- 4.2 位段的内存分配
- 4.3 位段的跨平台问题
- 4.4 位段的应用
- 4.5 位段使用的注意事项
前言
C语言中的结构体是一种自定义的数据类型,可以用来表示多个不同类型的数据的集合。结构体是由多个变量组成的,每个变量称为结构体的成员。
使用结构体需要先定义结构体类型,然后可以声明该类型的变量。
定义结构体类型的语法如下:
struct 结构体类型名 {成员类型1 成员名1;成员类型2 成员名2;...
};
例如,定义一个表示学生的结构体类型:
struct Student {int id;char name[20];float score;
};
上面的代码定义了一个名为Student
的结构体类型,该类型有三个成员:id
、name
和score
。
声明结构体变量的语法如下:
struct 结构体类型名 变量名;
例如,声明一个名为student1
的Student
结构体变量:
struct Student student1;
可以使用.
操作符来访问结构体变量的成员,例如:
student1.id = 1;
strcpy(student1.name, "Tom");
student1.score = 90.5;
上面的代码给student1
结构体变量的成员赋值。
结构体变量的初始化可以使用赋值运算符=
,例如:
struct Student student2 = {2, "Jerry", 85.5};
上面的代码创建了一个名为student2
的Student
结构体变量,并初始化了其成员的值。
结构体变量的成员可以使用.
操作符来访问,例如:
printf("学生ID:%d\n", student1.id);
printf("学生姓名:%s\n", student1.name);
printf("学生成绩:%f\n", student1.score);
上面的代码输出了student1
结构体变量的成员的值。
注意,结构体的成员可以是任意类型,包括基本数据类型、指针、数组、其他结构体等。可以通过.操作符来访问结构体的成员,也可以使用指针来访问结构体的成员,使用指针访问结构体的成员需要使用->
操作符。
例如,使用指针访问结构体的成员:
struct Student *ptr_student = &student1;
ptr_student->id = 3;
strcpy(ptr_student->name, "Alice");
ptr_student->score = 95.5;
C语言中,位段(bit-field)是一种数据结构,用于将内存空间的位字段化。它可以让用户指定一个存储单元中需要使用的位数。
位段使用的语法形式如下:
struct {type [member_name] : width;
};
其中,type
可以是整型数据类型(如 int
、char
等),[member_name]
是位段的名称,width 是位段的宽度,指定了需要使用的位数。
例如,下面的代码定义了一个具有 3 个位段的结构体:
struct {unsigned int a : 4;unsigned int b : 5;unsigned int c : 3;
} bitfield;
在这个结构体中,a
的宽度为 4 位,b
的宽度为 5 位,c
的宽度为 3 位。
位段可以用于节省内存空间,因为它只使用所需的位数,而不是整个字节或字的空间。
然而,由于位段是由编译器决定如何存储,它的具体实现可能在不同的编译器和平台上有所不同。因此,在使用位段时需要注意其可移植性和实现细节。
一、结构体类型的声明
1.1 结构体
结构体是一些值的集合,这些值称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。
1.1.1 结构的声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
例如描述一个学生:
struct Stu
{char name[20]; //名字int age; //年龄char sex[5]; //性别char id[20]; //学号
}; //分号不能丢
1.1.2 结构体变量的创建和初始化
#include <stdio.h>
struct Stu
{char name[20]; //名字int age; //年龄char sex[5]; //性别char id[20]; //学号
};
int main()
{//按照结构体成员的顺序初始化struct Stu s = { "张三", 20, "男", "20230818001" };printf("name: %s\n", s.name);printf("age : %d\n", s.age);printf("sex : %s\n", s.sex);printf("id : %s\n", s.id);//按照指定的顺序初始化struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "女" };printf("name: %s\n", s2.name);printf("age : %d\n", s2.age);printf("sex : %s\n", s2.sex);printf("id : %s\n", s2.id);return 0;
}
1.2 结构的特殊声明
在声明结构的时候,可以不完全的声明。
比如:
//匿名结构体类型
struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20], *p;
上面的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签(tag)。
那么问题来了?
//在上面代码的基础上,下面的代码合法吗?
p = &x;
警告:
编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型,所以是非法的。
匿名的结构体类型,如果没有对结构体类型重命名的话,基本上只能使用一次。
1.3 结构的自引用
在结构体中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢?
比如,定义一个链表的节点:
struct Node
{int data;struct Node next;
};
上述代码正确吗?如果正确,那 sizeof(struct Node)
是多少?
仔细分析,其实是不行的,因为一个结构体中再包含一个同类型的结构体变量,这样结构体变量的大小就会无穷的大,是不合理的。
正确的自引用方式:
struct Node
{int data;struct Node* next;
};
在结构体自引用使用的过程中,夹杂了 typedef
对匿名结构体类型重命名,也容易引入问题,看看下面的代码,可行吗?
typedef struct
{int data;Node* next;
}Node;
答案是不行的,因为Node
是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的,但是在匿名结构体内部提前使用Node
类型来创建成员变量,这是不行的。
解决方案如下:定义结构体不要使用匿名结构体
typedef struct Node
{int data;struct Node* next;
}Node;
二、 结构体内存对齐
我们已经掌握了结构体的基本使用了。
现在我们深入讨论一个问题:计算结构体的大小。
2.1 对齐规则
首先得掌握结构体的对齐规则:
- 结构体的第一个成员对齐到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
- 其他成员变量要对齐到某个数字(对齐数)的整数倍的地址处。
对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员变量大小的较小值。
- VS 中默认的值为 8
- Linux中gcc没有默认对齐数,对齐数就是成员自身的大小
- 结构体总大小为最大对齐数(结构体中每个成员变量都有一个对齐数,所有对齐数中最大的)的整数倍。
- 如果嵌套了结构体的情况,嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处,结构体的整体大小就是所有最大对齐数(含嵌套结构体中成员的对齐数)的整数倍。
当然,除上述之外,我们还可以使用宏定义来实现偏移量的计算
offsetof
计算结构体相较于起始位置的偏移量
//练习1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{double d;char c;int i;
};printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};printf("%d\n", sizeof(struct S4));
#include <stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
int main()
{printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));return 0;
}
2.2 为什么存在内存对齐
大部分的参考资料都是这样说的:
- 平台原因(移植原因):
不是所有的硬件平台都能访问任意地址上的任意数据的;某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据,否则抛出硬件异常。 - 性能原因:
数据结构(尤其是栈)应该尽可能地在自然边界上对齐。原因在于,为了访问未对齐的内存,处理器需要作两次内存访问;而对齐的内存访问仅需要一次访问。假设一个处理器总是从内存中取8个字节,则地址必须是8的倍数。如果我们能保证将所有的double
类型的数据的地址都对齐成8的倍数,那么就可以用一个内存操作来读或者写值了。否则,我们可能需要执行两次内存访问,因为对象可能被分放在两个8字节内存块中。
总体来说:结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候,我们既要满足对齐,又要节省空间,如何做到:让占用空间小的成员尽量集中在一起
//例如:
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
S1
和 S2
类型的成员一模一样,但是 S1
和 S2
所占空间的大小有了一些区别。
2.3 修改默认对齐数
#pragma
这个预处理指令,可以改变编译器的默认对齐数。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1) //设置默认对齐数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};.
#pragma pack() //取消设置的对齐数,还原为默认
int main()
{//输出的结果是什么?printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}
结构体在对齐方式不合适的时候,我们可以自己更改默认对齐数。
三、结构体传参
struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = {{1,2,3,4}, 1000};
//结构体传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* ps)
{printf("%d\n", ps->num);
}
int main()
{print1(s); //传结构体print2(&s); //传地址return 0;
}
上面的print1
和 print2
函数哪个好些?
答案是:首选print2
函数。
原因:函数传参的时候,参数是需要压栈,会有时间和空间上的系统开销。
如果传递一个结构体对象的时候,结构体过大,参数压栈的的系统开销比较大,所以会导致性能的下降。
结论:结构体传参的时候,要传结构体的地址。
四、 结构体实现位段
结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。
4.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的,有两个不同:
- 位段的成员必须是
int
、unsigned int
或signed int
,在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。 - 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。
比如:
位段的出现就是为了节约空间
struct A
{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};
A
就是一个位段类型。
那位段A
所占内存的大小是多少?
printf("%d\n", sizeof(struct A));
4.2 位段的内存分配
- 位段的成员可以是
int
unsigned int
signed int
或者是char
等类型 - 位段的空间上是按照需要以4个字节(
int
)或者1个字节(char
)的方式来开辟的。 - 位段涉及很多不确定因素,位段是不跨平台的,注重可移植的程序应该避免使用位段。
//一个例子
struct S
{char a:3;char b:4;char c:5;char d:4;
};struct S s = {0};s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;
//空间是如何开辟的?
在vs里位段是从右向左使用的,在其他编译器下需要自己验证
4.3 位段的跨平台问题
int
位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。- 位段中最大位的数目不能确定。(16位机器最大16,32位机器最大32,写成27,在16位机器会出问题。)
- 位段中的成员在内存中从左向右分配,还是从右向左分配标准尚未定义。
- 当一个结构包含两个位段,第二个位段成员比较大,无法容纳于第一个位段剩余的位时,是舍弃剩余的位还是利用,这是不确定的。
总结:跟结构体相比,位段可以达到同样的效果,并且可以很好的节省空间,但是有跨平台的问题存在。
4.4 位段的应用
下图是网络协议中,IP数据报的格式,我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述,这里使用位段,能够实现想要的效果,也节省了空间,这样网络传输的数据报大小也会较小一些,对网络的畅通是有帮助的。
4.5 位段使用的注意事项
位段的几个成员共有同一个字节,这样有些成员的起始位置并不是某个字节的起始位置,那么这些位置处是没有地址的。内存中每个字节分配一个地址,一个字节内部的bit位是没有地址的。
所以不能对位段的成员使用&
操作符,这样就不能使用scanf
直接给位段的成员输入值,只能是先输入放在一个变量中,然后赋值给位段的成员。
struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};int main()
{struct A sa = {0};scanf("%d", &sa._b); //这是错误的//正确的示范int b = 0;scanf("%d", &b);sa._b = b;return 0;
}
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