掌握C语言结构体，开启编程新世界

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前言

前面我们也涉及到了结构体的讲解，但是只是粗略的讲了一下。 接下里详细讲解。

1.0 结构体声明

struct tag {member-listmember-listmember-list  ...
} variable-list ;

结构体定义已经讲过了，但是不够全面，现在来重新看看，用具体的例子来理解结构体的声明，

struct num
{int num1;int num2;
}s1;///声明类型的同时定义变量是s1struct num s2;//定义结构体变量s2
struct num s3 = { 3,4 };//顺序初始化//代码2
struct book
{char name[20];int num;
}b1 = { {"zhuangji"},1001 };//顺序初始化struct book b2 = { .name = "tangmu",.num = 1002 };//指定顺序初始化//代码3
struct Node
{struct num;struct Node* next;
}n1 = { {1,2},NULL };//结构体嵌套定义struct Node n2 = { {5, 6}, NULL };//结构体嵌套初始化

以上初始化已经很详细了。 

2.0 匿名结构体

什么是匿名结构体呢？

匿名结构体就是省略类型标签（tag），只有成员变量，没有成员名称。无结构体类型，不能创建变量，只能在空号外定义变量，不能再创建变量。

struct//匿名结构体
{int a;char arr[20];
}Node = {1,"zhangsan"};//匿名初始化
//}Node = {.a=1,"lisi"};匿名选择初始化
int main()
{printf("%d %s",Node.a,Node.arr);return 0;
}

这就是一个匿名结构体， 以及它的初始化，打印方式跟正常结构体相似。

注意

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。

3.0 自引用

struct Node
{int data;struct Node* next;//指针
}p;

这就是结构体自引用的表达式，这是正确的表达式。

倘若将代码改成这样，你认为合理吗？

struct Node
{int data;struct Node next;
}p;

这其实是不对的。 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。

4.0 内存对齐

我们知道了结构体的声明，以及初始化和使用，那么我们创建的结构体是多少字节呢？这也是一个常考的知识点。

4.1 对齐规则

⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

1. 结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处

2.其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。

• 对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬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，对对齐数就是成员自身的大小。

3. 结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的 整数倍。

4. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，结构 体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。 

什么意思呢？单看规则很难理解，我们直接上代码。

4.2 练习1

struct S1
{char c1;int i;char c2;};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

输出结果：

 12 

 那这个结果是怎么来的呢？

4.2.1 分析

注意：表中的一格代表一个字节。

偏移量：第一个字节相对于起始位置偏移量是0，第二个字节相对于起始位置偏移量是1。

假设我们从0开始存放，char c1的变量大小为1,所以存放一个字节（这时候的对齐数是1）。int i占四个字节，虽然vs默认值为8，但是int类型更小（这时候的对齐数是4），既偏移量1,2,3，都不是4的倍数，所以int放在偏移量为4的位置，char c2的大小是1，偏移量8是一的倍数，所以可以放。

你以为9就是struct S1的字节吗，那你就错了，我们还得对齐最大对齐数（4）。所以最后的结果就是12个字节。这样虽然会浪费空间，但是也是有一定的好处，我们之后再说。

4.3 练习2

struct S2
{char c1;char c2;int i;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

输出结果： 

8 

4.3.1 分析 

 

char c1 占1个字节；char c2占1个自己，且对齐数是1，偏移量位1符合；int i占对齐数是4，偏移量位4刚刚好符合。都放完后，字节需要是最大对齐数的整数倍，所以就是8个字节。

4.4 练习3

struct S1
{char c1;int i;char c2;};
struct S3
{char c1;struct S1 s1;double d;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S3));return 0;
}

4.3.1  分析

char c1占1一个字节，struct S1 s1上面我们已经知道了占12个字节，但为什么是偏移量为4的地方放呢？这是因为结构体S3中有S1，S1中的最大对齐位置取决于自己的最大对齐数，而S1的最大对齐数是4，所以从偏移量为4可以开始放s1；double d占8个字节，偏移量16刚刚好是8的倍数；所struct S3中最大的对齐数是12，而且字节刚刚好是24。

4.5 小结

S1和S2的变量成员是一样的，但字节大小却是不同的，所以我们再创建结构体变量的时候，尽可能的将字节较小的类型集中在一起，这样可以在一定程度上节省空间。

4.6 对齐数存在的意义

1. 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。

2. 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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要 作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

4.7 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⻬数。

我们直接看代码

#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct S1));return 0;
}

原本打印的结果是12,但这这里改了。

输出结果：

6

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

5.0 结构体传参 

通过上面的学习我们知道，结构体所占字节一般都是很大的，所以在函数应用过程中，往往会采用传址，传地址只需要4\8个字节，不需要开辟那么大的空间；传值浪费空间，需要拷贝，占的空=空间是比较大的。

struct S1
{char c1;int i;char c2;
}p = {.i=10};
void test(struct S1*P)
{printf("%d", P->i);
}
int main()
{test(&p);return 0;
}

如果是传值：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，传结构体的地址。

6.0 结构体实现位段

5.1 定义

结构体位段（bit field）是一种数据结构，在C语言中用于存储和操作内存中的位级数据。结构体位段允许程序员指定一个变量只占用指定位数的内存空间，而不是整个字节或字。这种灵活性允许在一个字节或字中存储多个不同的位级信息，从而节省内存空间。

5.2 位段声明

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

1. 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。
2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

//位段式结构
struct A
{int _a : 2;//2个bit位int _b : 5;//5个bit位int _c : 10;//10个bit位int _d : 30;//30个bit位
};
int main()
{printf("%zd",sizeof(struct A));return 0;
}

 有的同学可能会算2+5+10+30 = 47bit位，那么就是6个字节。是不是这样？我们来看啊看结果

输出结果：

 8

为什么会是8呢？这就与 位段内存分配有关了。

5.3 位段内存分配

• 位段的成员可以是 int、unsigned int、signed int或者char等类型。
• 位段的空间上是按照需要以4个字节（ signed int 或者是 char 等类型 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。

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;

 

5.4 位段的跨平台问题 

1. int 位段被当成有符号数还是⽆符号数是不确定的。
2. 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。
3. 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。
4. 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 

5.5 位段使⽤的注意事项 

在使用结构体位段时需要注意以下几点：

1. 内存对齐：位字段的大小通常由编译器自动选择，为了满足对齐要求，可能会在位字段之间插入额外的填充位。因此，位字段的大小可能不等于字段成员所占的位数之和。开发者需要了解编译器对位字段进行内存对齐的规则，以确保结构体的大小和内存布局符合预期。

2. 位字段的类型：位字段的类型可以是整型或枚举类型，但不能是浮点型、指针类型等。这是因为浮点型和指针类型的大小是可变的，无法确定应该占多少个位。

3. 位字段的命名和长度：位字段的命名要足够清晰明确，以便其他开发者能够理解其含义。位字段的长度要根据具体需求进行选择，过长的位字段可能会造成浪费，而过短的位字段可能无法容纳所需要的数据。

4. 位字段的操作：位字段是以位为单位进行操作的，因此在对位字段进行赋值和取值操作时，需要使用位运算符来进行操作。开发者需要熟悉位运算符的使用方法，以确保对位字段进行正确的操作。

总之，使用结构体位段时需要了解内存对齐规则，选择适当的位字段类型、命名和长度，并使用正确的位运算符进行操作。这样才能正确地使用结构体位段，并确保代码的可读性和可维护性。