【C语言】-自定义类型：结构体

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结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候,已经学习了结构体的知识,这里稍微复习一下

结构体回顾​

结构是一些值的集合,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

结构的声明​

structStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};//分号不能丢

结构体变量的创建和初始化

#include<stdio.h>structStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};intmain(){//按照结构体成员的顺序初始化structStus={"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structStus2={.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);return0;}

结构的特殊声明

匿名结构体类型

在声明结构的时候，可以不完全的声明｡ 在声明结构的时候，可以不完全的声明｡在声明结构的时候，可以不完全的声明｡

• 匿名结构体类型 - 只能使用一次，后期不能使用这个类型再创建变量
• 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

//匿名结构体类型 - 只能使用一次，后期不能使用这个类型再创建变量struct{inta;charb;floatc;}x,y,z;//struct{inta;charb;floatc;}*ps;intmain(){ps=&x;//编译器报错return0;}

对结构体 t y p e d e f 对结构体typedef对结构体typedef

typedefstruct{inta;charb;floatc;}S;//struct S //其实极为类似//{// int a;// char b;// float c;//};structStus5,s6;//全局变量intmain(){S s1;S s2;return0;}

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？ 在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？在结构中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

structNode{intdata;structNodenext;};

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 : 正确的自引用方式:正确的自引用方式:

//正确的写法typedefstructNode{intdata;structNode*next;}Node;

在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 t y p e d e f 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？ 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？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？

typedefstruct{intdata;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

typedefstructNode{intdata;structNode*next;}Node;

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

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—嵌套结构体的对齐数即为成员最大对其数) 的整数倍｡
5. 如果成员是数组，那么是按照数组元素类型的对齐数与编译器默认的对齐数的最小值，注意也不是整个数组，与上一个类似

为什么存在内存对齐？​

• 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｡
• 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： 总体来说：总体来说：
结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法｡
CPU 读取内存时，喜欢 “按自己的字长整块读”，不喜欢跨块读。
举个最通俗的例子：

• 32 位 CPU：一次读 4 字节
• 64 位 CPU：一次读 8 字节
  

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:比如先小后大的写结构体成员

//例如：structS1{charc1;//1inti;//4charc2;//1};//1+3+4+1=9 -> 12structS2{charc1;charc2;inti;};//1+1+2+4=8

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

//设置的一般都是2的次方数#include<stdio.h>#pragmapack(1)//设置默认对⻬数为1structS{charc1;inti;charc2;};#pragmapack()//取消设置的对⻬数，还原为默认intmain(){//输出的结果是什么？printf("%d\n",sizeof(structS));return0;}

设置的一般都是2的次方数
那我为啥不直接把对齐值全改成 1，这样最省空间？

• 偏移对齐 = 为了 CPU 读取快、不崩溃
• 强行改成 1 字节对齐 = 能省空间，但可能崩、变慢、不可移植

结构体传参​

structS{intdata[1000];intnum;};structSs={{1,2,3,4},1000};//结构体传参voidprint1(structSs){printf("%d\n",s.num);}//结构体地址传参voidprint2(structS*ps){printf("%d\n",ps->num);}intmain(){print1(s);//传结构体print2(&s);//传地址return0;}

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｡

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

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｡

structA{int_a:2;int_b:5;int_c:10;int_d:30;};

位段的内存分配​

• 位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型​
• 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｡
• 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structS{chara:3;charb:4;charc:5;chard:4;};structSs={0};s.a=10;s.b=12;s.c=3;s.d=4;//空间是如何开辟的？

注意：虽然结构体压栈是从高地址向低地址压栈，但是压栈后的空间，是按照先定义的成员为压栈空间中的低地址，后定义成员为高地址

1. 一个字节(整型)的内存中，到底是从左向右使用，还是从右向左使用不确定
   假设从右向左使用，vs上正确

2. 剩余的空间不能满足下一个成员的时候，是否浪费，不确定
   假设浪费，vs上正确

位段的跨平台问题​

• int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的｡
• 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, 在 16 位机器会出问题｡
• 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｡
• 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｡
  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｡

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｡

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｡

structA{int_a:2;int_b:5;int_c:10;int_d:30;};intmain(){structAsa={0};scanf("%d",&sa._b);//这是错误的//正确的⽰范intb=0;scanf("%d",&b);sa._b=b;return0;}

位段内存计算练习

structTest4{chara:3;//3bit 对齐数1intb:20;//20bit，以int为单元(4字节) 对齐数4shortc;//普通short，2字节 对齐数2chard:5;//5bit 对齐数1doublee;//普通double，8字节 对齐数8};

1.排a:3:char单元1字节，剩5bit。
2.排b:20:int单元要求4字节对齐，当前地址0x01不是4的倍数，补3字节，新开1个int单元(4字节)存b:20，剩12bit。累计:1+3+4=8字节。
3.排shortc:short要求2字节对齐，当前地址0x08是2的倍数，直接存放，占2字节->累计10字节。
4.排d:5:char单元1字节，直接存放，占1字节->累计11字节。
5.排double e:double要求8字节对齐，当前地址0x0B不是8的倍数，补5字节，存放e占8字节->累计11+5+8=24字节。
6.整体对齐:最大成员是double(8字节)，24是8的倍数，无需补位。
最终大小:24字节