自定义类型—结构体

目录

1 . 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

1.2 结构体变量的创建与初始化

1.3  结构体的特殊声明

1.4 结构体的自引用

2. 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

3. 结构体传参

4.结构体实现位段

4.1 位段的内存分配

4.3 位段的应用

4.4 位段的使用注意事项

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1 . 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

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

假如描述一个学生

struct Stu 
{int age;char name[20];char sex[5];char id[20];
}

1.2 结构体变量的创建与初始化

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;
}

1.3  结构体的特殊声明

在声明结构体的时候，可以进行不完全声明（又称匿名结构体）

struct
{int a;char b;float c;
}x;struct
{int a;char b;float c;
}a[20], * p;

上述两个结构体在声明的时候省略了结构体标签

在某些情况下，如果只是想使用一次结构体，就可以使用匿名结构体

在此基础上，下面代码合法吗

p = &x;

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。

1.4 结构体的自引用

结构体中包含一个类型为该结构体本身成员是否可行？

看下列代码

struct Node
{int data;struct Node next;
}

 分析一下不难发现，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大。

struct S
{int n;struct S* next;
};

但是如果时包含和自己相同类型的指针，是可行的，在x86或x64的环境下，指针的大小无非就是

4/8字节。

 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;S* next;
}S;

是不行的，因为S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。

2. 结构体内存对齐

看一段代码

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

如果只按成员的大小来看的话，该结构体应该只占用6个字节就够了

但程序运行起来后可以发现是12个字节。

这就涉及到结构体内存对齐。

2.1 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

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。

一共9个字节，按照规则3来说，为最大对齐数的整数倍，那就是3 * 4 = 12个字节

再来看几个例子

struct S2
{char c1;char c2;int i;
};

一共8个字节，按照规则3来说，为最大对齐数的整数倍，那就是2* 4 = 8个字节

struct S3
{double d;char c;int i;
};

一共15个字节，按照规则3来说，为最大对齐数的整数倍，那就是4* 4 = 16个字节

struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};

其中嵌套了s3，已经知道s3的大小是16个字节，其中最大对齐数是8，那么就从偏移量8开始占16个字节。

一共32个字节，按照规则3来说，为最大对齐数的整数倍，那就是4* 8 = 32个字节

2.2 为什么存在内存对齐

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。

个人观点：主要原因还是第二个

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

如上例 S1,S2

struct S1
{char c1;int i;char c2;
}s;struct S2
{char c1;char c2;int i;
};

同样的成员类型，我们可以发现S1占12个字节，S2就只占8个字节了。

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()
{printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

3. 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;
}

print2更好，因为print1在传参时是传值调用，这个值有多大就得开辟多大的空间，仅是一个data数

组就要了4000个字节的空间。

而print2在传参的时候是传址调用，传地址过去，大小无非就是4 / 8个字节，效率更高。

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：在进行结构体传参的时候，尽量传结构体的地址。

4.结构体实现位段

4.1 位段的定义

位（二进制位）

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。

例

struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};struct B
{int _a;int _b ;int _c ;int _d ;
};
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct A));printf("%zd\n", sizeof(struct B));return 0;
}

A就是⼀个位段类型。

后面跟的数字是代表分配多少比特位

我们来看看效果

可见 ，位段是专门用来节省内存空间的。

但是 ，如果只按照分配的比特位来看，2+5+10+30 = 47 ，应该只分配6个字节就够了，为什么是8

个。这就涉及到了位段的内存分配

4.1 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;
};int main()
{struct S s = { 0 };s.a = 10; s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;printf("%zd\n", sizeof(s));return 0;
}

4.2 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。

结论：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。

4.3 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。

4.4 位段的使用注意事项

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。