【自定义类型: 结构体】

目录

1. 结构体类型的声明
2. 结构体变量的创建和初始化
3. 结构体成员访问操作符
4. 结构体内存对齐
5. 结构体传参
6. 结构体实现位段

---

1. 结构体类型的声明

稍微复习一下结构体的内容

1.1 结构体回顾

结构是一些值的集合，这些值为成员变量。结构的每个成员可以是不同类型的变量

1.1.1 结构体的声明

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

例如描述一个学生:

struct Stu
{
		char name[20] ;//名字
		int age ;//年龄
		char sex[5] ;//性别
};//分号不能丢

1.1.2 结构体变量的创建和初始化

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

//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);

1.2 结构体的特殊声明

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)
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

1.3 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？那么sizeof (struct Node)是多少?
这样是不行的，一个结构体中包含同类型的结构体变量，这样结构体大小就会无穷大，不合理

正确的自引用方式：

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

在结构体自引用过程中，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重命名产生,但是在匿名结构体内部用Node类型创建成员变量,是不行的

解决方案如下
定义结构体不要使用匿名结构体

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

2. 结构体内存对齐

现在讨论结构体的大小: 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为止偏移量0的地址处
2. 其他成员变量要对齐到某个数(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默认值是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)整数倍
4. 如果嵌套了结构体,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;
};
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));

S1结构体:

12字节,存完c2后总大小9个字节,最后要对齐到最大对齐数的整数倍,也就是int4的整数倍,蓝色部分跳过,所以大小是12

S2结构体:

8字节,c1和c2只需要对齐到char的整数倍

S3结构体:

16字节,int需要对齐到12,最后对齐到double8的整数倍,16

S4结构体:

32字节,嵌套结构体从自己最大的成员8字节对齐,上面计算了大小是16,加16就是24字节,24寸d就是32字节,包含嵌套结构体最大对齐数是8,32是8的倍数

输出:

2.2 为什么内存对齐

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）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问；而对齐的内存只需要访问一次，结社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8的倍数，那么就可以用一个内存操作来读或写值了。否则，我们可能需要执行两次内存访问，因为对象可能被分在两个8字节内存块中
   结构体的内存对齐是拿空间换区时间的做法

在设计的时候既想节约空间，又要内存对齐

将占用空间小的成员尽量集中在一起

例如将char类型集中在开始比分开节约内存

2.3 修改默认对齐数

#pragma 这个预处理指令,可以改变编译器默认对齐数

#pragma pack(1) //设置默认对齐数1
#pragma pack() //取消设置的对齐数,还原为默认

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);
}

print1(s); //传结构体
print2(&s); //传地址

上面的两个函数哪个好?
首选print2函数

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,参数压栈的系统开销也大,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

4. 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

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是其他类型
位段的成员名后边有一个冒号和一个数字，表示占几位

比如：

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

这就是一个位段

那么sizeof（struct A）位段的大小是多少？答案是8,总共47位，由于1个整形32位，所以需要2个整形就是8字节

4.2 位段的内存分配

位段的成员可以是int unsigned int ，signed int 或者char等类型
位段的空间是按照4个字节或1个字节开辟的
位段涉及的不确定因素多，不能跨平台，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;

看看上面的位段怎么开辟的？

由于a是3位，所以只能存010，紧接着4位存b1100，c是五位，再开辟一个字节放，剩下3位不够d，所以再开辟1个字节，总共3字节

4.3 位段的跨平台问题

int位段被当成有符号数还是无符号是不确定的
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，再16位机器出问题）
位段成员内存从左向右分配，还是从右向左未定义
当一个结构包含两个位段，第二个位段成员比较大，无法容纳第一个位段剩余的位时，是舍弃剩余的位还是利用不确定

总结：

跟结构相比，位段同样能达到效果，也节省空间，但是有跨平台的问题

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就能描述，所以使用位段对网络的畅通有帮助

4.5 位段使用的注意事项

位段的几个成员共有一个字节，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，不能使用scanf直接给位段的成员输入值，只能先输入放在一个变量，然后赋值给位段的成员

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

struct A sa = { 0 };
scnaf("%d", &sa._b); //这种是错误的

//正确的示范
int b = 0;
scanf("%d", &b);
sa._b = 10;