【C语言】自定义类型——结构体

目录

一、结构体的类型的声明

二、结构体变量的创建和初始化

三、匿名结构体类型

四、结构体自引用

五、结构体内存对齐

（1）对齐规则

（2）计算结构体大小练习

（3）需要内存对齐的原因

（4）修改默认对齐数

六、结构体传参

七、结构体实现位段

（1）什么是位段

（2）位段的内存分配

（3）位段的跨平台的问题

（4）位段的应用

（5）位段不能使用取地址符&

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一、结构体的类型的声明

        形式如下：

struct tag
{member - list; // 成员列表
}variable - list; // 变量列表，属于全局变量，也可以没有

        例如，定义一个学生结构体类型，并创建了全局变量s1：

struct Stu
{char name[20];//名字int age;//年龄char sex[5];//性别char id[20];//学号
}s1;

二、结构体变量的创建和初始化

// struct Stu 类型的定义
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;
}

三、匿名结构体类型

        省略掉结构体标签 (tag)：

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

        因为匿名结构体类型没有名字，所以如果没有对匿名结构体重命名的话，只能使用一次（创建一次变量，即声明结构体类型的时候就创建）。并且两个成员相同的匿名结构体类型不相同，如下：

四、结构体自引用

        结构体中不能包含同类型的结构体成员。因为结构体类型还没完全声明结束就开始使用同类型是不行的（不清楚它的大小），相当于一个类型还不存在的时候就开始使用这个类型，并且仔细想想，这样声明的结构体的大小是无穷大的，如下：

        如果结构体想自引用同类型，只能定义为指针类型。指针类型是内置类型，本来就存在，大小也可知（4 或 8字节），如下：

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

        如果是对匿名结构体重命名，就算是包含同类型的指针类型，也是不行的，因为在重命名 Node 之前都还不知道这个匿名函数叫啥，就使用 Node 的指针，如下：

        因此，结构体自引用不能使用匿名结构体，改为如下就正确了：

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

五、结构体内存对齐

        是计算结构体大小的规则。

（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。

（2）计算结构体大小练习

练习一：

        结构体S1的大小：

        结构体S2的大小：

        S1 和 S2 类型的成员一模一样，但是 S2 比 S1 占的空间更小，是因为变量 c1 和 c2是放在一起的。因此，让占用空间小的成员尽量集中在一起，更节省空间。

练习二：

        结构体S3的大小：

        结构体S4的大小：

（3）需要内存对齐的原因

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，某些硬件平台只能在某些地址处取某些特定类型的数据，比如 int 类型数据只能在固定地址处存取，否则抛出硬件异常。为了提高代码的可移植性（对所有硬件平台都适用），需要内存对齐。

② 性能原因

        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。比如对于结构体 s：

struct s{char c;int i;
};

        如果内存不对齐：

        如果内存对齐：

        32位机器上，数据总线是32根，读、写数据的时候，一次就读/写32位(4个字节)。如果不对齐，要读两个字节，才能拼凑出 i；如果对齐，发现第一个字节没有，直接跳到第二个字节，读取一次就可以得到 i 。因此，内存对齐更能节省读取时间（用空间换时间）。

（4）修改默认对齐数

        使用 #pragma 预处理指令，示例：

#pragma pack(1)//设置默认对⻬数为1
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//还原为默认对齐数

        对齐数通常是 2 的 x 次方，如 1，2，4，8，不能随意设置。

六、结构体传参

        一种是传结构体本身，一种是传结构体的地址，如下：

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;
}

        因为函数传参，参数要压栈，会有空间和时间上的系统开销。如果结构体比较大，传结构体本身，开销就比较大；如果传结构体地址，指针只有 4 个字节，开销就比较小。因此，结构体传参，最好传地址。

七、结构体实现位段

（1）什么是位段

        与结构体类似，但有两个不同：

•  成员类型必须是 int、unsigned int、signed int、char，C99 标准中也可以是其它类型。
•  成员名后是 冒号 + 数字。

        形式如下：

struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};

        位段 A 大小是？如果按照结构体的内存对齐的方法计算，4 * 4 = 16 个字节。看看运行结果：

显然不是按结构体的方式计算内存大小，实际上位段的位表示二进制位，冒号后面的数字是该成员的大小，比如 _a 占 2 bit 。但是位段 A 的所有成员的大小加起来是 2+5+10+30 = 47，用 6 个字节（68 bit）就够了，为什么是8 字节呢？请看下节。

（2）位段的内存分配

• 位段每次开辟 4 个字节（int）或者 1 个字节（char）。
• 位段的不确定因素很多（比如每次开辟从左还是右存储；每次开辟的空间不够下一个成员使用，剩余的空间要不要接着使用），不可跨平台，注重可移植性的代码要避免用位段。

        如下例子：

struct S
{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};int main()
{struct S s = { 0 };printf("%d\n", sizeof(s));s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;return 0;
}

        VS中的规则：

•  char 类型，每次开辟一个字节。
•  一个字节内，从右向左使用。
•  一个字节内剩余的 bit 不够下一个成员使用，浪费掉并开辟新的一个字节存放。

        定义结构体变量 s 并初始化位段成员值为 0，开辟如下的空间（因为位段是 char 类型，每次开辟 1 个字节空间）：

        一共是3个字节。再给所有位段成员赋值（超出的截断，不够的补0）：

        调试验证，每 4 bit 是一个十六进制数，那么上面的值用十六进制表示就是（62 03 04）：

        调试结果与理论一致：

        运行结果：

        解决（1）中遗留的问题：

struct A
{int _a : 2;int _b : 5;int _c : 10;int _d : 30;
};

        因为位段成员是 int 类型，所以每次开辟 4 个字节（一共开辟了 8 个字节）：

（3）位段的跨平台的问题

•  int 位段被当成有符号还是无符号数是不确定的。
•  位段中最大的数目不确定。（32位机器最大位是32，16位机器最大位是16。如果是16位机器，像下面这样写就是错误的，因为 30 位已经超过了最大的 16 位；但在 32 位机器上是正确的。）

struct S
{int a : 30;
};

• 每次开辟的空间，是从左向右，还是从右向左使用是不确定的。
• 每次开辟的空间，剩余的空间不够下一个位段成员使用时，是浪费掉还是接着使用是不确定的。

总结：位段（可以设置使用的位）比结构体（固定的字节）更节省空间，但存在跨平台的问题。

（4）位段的应用

        数据在网络上传输，需要遵守网络协议，网络协议中有个IP数据报的概念（相当于快递包裹上的各种邮寄信息，有发件人、收件人，才知道包裹从哪发、发给谁），下面就是IP数据报的格式：

        如果不用位段，版本（4位）是整型，分配 4 个字节空间，就会浪费 28 位空间。可以发现每一行信息需要的空间加起来刚好是 32 位（4 个字节），刚好是一个整型的大小，设计成位段，将会没有一点空间浪费。

        IP数据报追求节省空间，因为使用更小的空间，网络越通畅。

（5）位段不能使用取地址符&

        位段中几个成员共用一个字节，而内存中是按字节编址的，所以一个字节内的 bit 没有地址，就不能对位段成员取地址，如下会报错：

        因此，不能使用 scanf 直接给位段成员输入值，只能先输入值放在变量中，变量再赋值给位段成员：