【C语言(十三)】

2023-12-15 07:35:12

自定义类型:结构体

一、结构体类型的声明?

1.1、结构体回顾

结构是?些值的集合,这些值称为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量。?

1.1.1、结构的声明?

例如描述?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 = "?"};
	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?

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?次。?

1.3、结构的自引用?

在结构中包含?个类型为该结构本身的成员是否可以呢??

如,定义?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?个结构体中再包含?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?

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;

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?个问题:计算结构体的大小。
这也是?个特别热门的考点: 结构体内存对齐。

2.1、对齐规则?

首先得掌握结构体的对齐规则:?

1. 结构体的第?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?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?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。
//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	struct S1 s1 = { 0 };
	struct S2 s2 = { 0 };

	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
	return 0;
}

#include <stddef.h>
//宏
//offsetof - 计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

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:
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?次访问。假设?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?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:?

//例如:
struct S1
{
    char c1;
    int i;
    char c2;
};

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

?S1 S2 类型的成员?模?样,但是 S1 S2 所占空间的大小有了?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?数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

#pragma pack()//取消设置的对?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 print2 函数哪个好些?

答案是:首选print2函数。

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

4.1、什么是位段?

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 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?个冒号和?个数字。
比如:
struct A
{
     int _a:2;
     int _b:5;
     int _c:10;
     int _d:30;
};
A就是?个位段类型。
那位段A所占内存的大小是多少?

4.2、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。
//?个例?
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?

以上我们做了假设: ①假设内存空间从右向左使用;②如果剩余的空间不够下一个成员使用,就浪费。

4.3、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?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?个结构包含两个位段,第?个位段成员比较大,无法容纳于第?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。

4.4、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?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?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?个地址,?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?值,只能是先输入放在?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?范
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa._b = b;
	return 0;
}

文章来源:https://blog.csdn.net/zhhdbehx/article/details/134990963
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