C语言：自定义类型（结构体）

一、结构的特殊声明

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的创建和初始化以及声明，这里有不了解的宝子们可以看看我的这篇文章哈：https://blog.csdn.net/weixin_66058866/article/details/136741650
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//这里省略掉了结构体类型名
{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。

二、结构的自引用

在结构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;
};

创建一个指向自己的结构体指针就可以避免上面的问题了。
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了

typedef struct Node
{int data;struct Node* next;
}Node;

三、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。
这也是一个特别热门的考点： 结构体内存对齐

1.对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

(1) .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
(2).其他成员变量要对齐到偏移量为自身对齐数的整数倍地址处。

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 中默认的对齐数为 8
-Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自⾝的大小

(3).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。
(4).如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己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。

//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));

思考一下大小各是多少呢？

练习1   12
练习2   8
练习3   16
练习4   32

2.为什么存在内存对齐

大部分的参考资料都是这样说的：

(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。

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)//设置默认对⻬数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，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。

四、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。

五、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。

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：

struct A
{int _a:2;int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};
printf("%d\n", sizeof(struct A));

A就是一个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少？

8

2.位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
2. 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。
3. 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？

3.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。

4.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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