二十、自定义类型：结构体

👉 欢迎阅读这篇文章 👇

1、结构体类型的声明

结构体是一些值的集合，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。

1.1结构的声明

structtag{member-list;}variable-list;

例如描述一个学生：

//描述一个学生structstu{charname[20];//姓名intage;//年龄charsex[5];//性别};

1.1.1结构体变量的创建和初始化

#include<stdio.h>//描述一个学生structstu{charname[20];//姓名intage;//年龄charsex[5];//性别};intmain(){//按照结构体成员的顺序初始化structstus1={"zhangsan",18,"男"};printf("%s\n",s1.name);printf("%d\n",s1.age);printf("%s\n",s1.sex);//按照指定的顺序初始化structstus2={.age=10,.name="lisi",.sex="男"};printf("%s\n",s2.name);printf("%d\n",s2.age);printf("%s\n",s2.sex);return0;}

1.2结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全声明。

//匿名结构体类型struct{inta;charb;floatc;}x;struct{inta;charb;floatc;}*p;

上方的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签。

思考下方代码是否成立：

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。

总结：
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。（匿名结构体的类型定义，只在当前这一条声明语句中有效，语句结束后，就再也无法引用这个类型了。）

1.3结构的自引用

在结构中是否可以包含一个类型为该结构体本身的成员？

比如，定义一个链表节点：

structnode{intdate;structnodenext;};

上述代码正确吗？

想一下，如果正确那么sizeof(struct node)应该是多少？

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。

我们可以在定义一个结构体的时候，一部分放数据，另一部分放下一个结构体的地址，这样就是正确的自引用。

structnode{intdate;structnode*next;};

在结构体⾃引⽤使⽤的过程中，夹杂了typedef对结构体类型重命名，也容易引⼊问题，看看下⾯的代码，可⾏吗？

typedefstructnode{intdate;node*next;}node;

这段代码不可行。因为node是typedef定义的别名，要等整个结构体定义完成后才会生效；但在结构体内部写node* next时，别名node还未被声明，编译器无法识别这个类型，因此会报错。而struct node是结构体标签，从声明开始就已经生效，所以结构体自引用时必须用struct node* next，而不能直接用别名node* next。

2、结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的使用，下面来探讨一下结构体的大小，它涉及了结构体内存对齐

2.1对齐规则

规则：

• 结构体的第1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。
• 从第2个成员变量开始，都要对齐到偏移量为自身对⻬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 没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩
• 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⻬数，所有对⻬数中最⼤的）的整数倍。
• 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⻬数的整数倍处，结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。

2.1.1练习

//练习1intmain(){structS1{charc1;//大小：1 默认对齐数：8 --对齐数：1inti;//大小：4 默认对齐数：8 --对齐数：4charc2;//大小：1 默认对齐数：8 --对齐数：1};printf("%zu\n",sizeof(structS1));}

• 第1个成员c1放在和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
• 第2个成员是int类型的，大小是4，默认对齐数是8，对齐数取4，应放在偏移量为4的倍数（4）的位置处。
• 第3个成员是char类型的，大小是1，默认对齐数是8，对齐数取1，应放在偏移量为1的倍数（8）的位置处。
• 要求结构的大小是最大的对齐数的倍数所以还需要浪费3个空间，最终大小是12。

//练习2intmain(){structS2{charc1;//大小是1，默认对齐数是8，对齐数为1charc2;//大小是1，默认对齐数是8，对齐数为1inti;//大小是4，默认对齐数是8，对齐数为4};printf("%zu\n",sizeof(structS2));}

• 第1个成员c1放在和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
• 第2个成员是char类型的，大小是1，默认对齐数是8，对齐数取1，应放在偏移量为1的倍数（2）的位置处。
• 第3个成员是int类型的，大小是4，默认对齐数是8，对齐数取4，应放在偏移量为4的倍数（4）的位置处。
• 要求结构的大小是最大的对齐数的倍数所以最终大小是8。

//练习3intmain(){structS3{doubled;//大小是8，默认对齐数是8，对齐数是8charc;//大小是1，默认对齐数是8，对齐数是1inti;//大小是4，默认对齐数是8，对齐数是4};printf("%zu\n",sizeof(structS3));}

• 第1个成员d放在和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
• 第2个成员是char类型的，大小是1，默认对齐数是8，对齐数取1，应放在偏移量为1的倍数（8）的位置处。
• 第3个成员是int类型的，大小是4，默认对齐数是8，对齐数取4，应放在偏移量为4的倍数（12）的位置处。
• 要求结构的大小是最大的对齐数的倍数所以最终大小是16。

//练习4-结构体嵌套问题structS3{doubled;//大小是8，默认对齐数是8，对齐数是8charc;//大小是1，默认对齐数是8，对齐数是1inti;//大小是4，默认对齐数是8，对齐数是4};//大小是16intmain(){structS4{charc1;//大小是1，默认对齐数是8，对齐数是1structS3s3;//大小是12，默认对齐数是8，对齐数是8doubled;//大小是8，默认对齐数是8，对齐数是8};printf("%zu\n",sizeof(structS4));}

• 第1个成员c1放在和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处。
• 第2个成员是struct S3类型的，大小是16，默认对齐数是8，对齐数取8，应放在偏移量为8的倍数（8）的位置处。
• 第3个成员是double类型的，大小是8，默认对齐数是8，对齐数取8，应放在偏移量为8的倍数（24）的位置处。
• 要求结构的大小是最大的对齐数（8）的倍数所以最终大小是32。

2.2为什么存在内存对⻬?

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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。

那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，就要做到让占⽤空间⼩的成员尽量集中在⼀起。

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⻬数。

#include<stdio.h>#pragmapack(1)//设置默认对齐数是1structs5{charc1;charc2;intr;};#pragmapack()//恢复默认对齐数intmain(){printf("%zu",sizeof(structs5));}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。

3、结构体传参

下面看两个代码

//结构体传参#include<stdio.h>structstu{intdate[10];intnum;};voidprint1(structstus){inti=0;for(i;i<5;i++){printf("%d ",s.date[i]);}printf("\n");printf("%d\n",s.num);}voidprint2(structstu*s){inti=0;for(i;i<5;i++){printf("%d ",s->date[i]);}printf("\n");printf("%d\n",s->num);}intmain(){structstus={{1,2,3,4,5},100};print1(s);print2(&s);return0;}

上面的两个打印的函数，应该选print1还是print2？

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。

4、结构体实现位段

4.1什么是位段

位段的声明和结构有两处不同

• 位段的成员只能是int、unsigned int、signed int、char。
• 位段成员的后面要有一个冒号和一个数字。

例如：

//位段的声明structa{int_a:3;int_b:4;int_c:6;int_d:5;};

4.2位段的内存分配

• 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。

一个例子演示内存是如何分配的

//⼀个例⼦structS{char_a:3;char_b:4;char_c:5;char_d:4;};intmain(){structSs={0};s._a=10;s._b=12;s._c=3;s._d=4;return0;}

下方的演示是基于vs2026进行的

struct开辟内存的过程：

首先a是char类型的，按照1个字节开辟空间，8个比特位，_a：3，从开辟的内存高地址开始向低地址读取3个比特位给_a，再读取4个比特位给_b，_c需要5位，剩下的不够了，再开辟1个字节的空间，再从开辟的内存高地址开始向低地址读取5个比特位给_c，_d需要4位，剩下的不够了，再开辟1个字节的空间，再从开辟的内存高地址开始向低地址读取4个比特位给_d，最终如上图所示。

下面进行初始化的过程

先将所有的比特位初始化为0。

• _a=10(01010)只能从低位开始取3位存进_a中
• _b=12(01100)只能从低位开始取4位存进_b中
• _c=3(00011)只能从低位开始取5位存进_c中
• _d=4(00100)只能从低位开始取4位存进_d中

最终如下：

将它转为16进制后是

也就是0x62、0x03、0x04（4个比特位写成1位16进制），位段的地址就是 62 03 04 cc
（小端字节序存储）
通过监视可以验证

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位机器上会出问题）。
• 位段中成员在内存中是从左向右分配，还是从右向左分配，是标准为定义的。
• 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。

4.4位段使用的注意事项

有时候位段的几个成员会共用1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。我们知道内存中每个字节才会分配一个地址，一个字节内部的bit位是没有地址的。位段的成员是没有地址的。

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。

//位段不能使用scanf#include<stdio.h>structstu{int_a:3;int_b:5;int_c:6;};intmain(){structstus={0};//scanf("%d", &s._b);//错误intd=0;scanf("%d",&d);s._b=d;//正确return0;}