#C语言——学习攻略：自定义类型路线--结构体--结构体类型，结构体变量的创建和初始化，结构体内存对齐，结构体传参，结构体实现位段

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👀学习专栏：《C语言学习》

💪学习阶段：C语言方向初学者

⏳名言欣赏：“人理解迭代，神理解递归。”

目录

1.  结构体类型

1.1  旧知识回顾

1.1.1  结构体声明

1.1.2  结构体的创建和初始化

1.2  结构体的特殊声明

1.3  结构体的自引用

2.  结构体内存对齐（热门考点）

2.1  对齐规则

习题1

习题2

习题3

习题4--嵌套结构体大小

2.2  为什么存在内存对齐

2.3  修改默认对齐数

3.  结构体传参

4.  结构体实现位段

4.1  什么是位段

4.2  位段的内存分配

4.3  位段的跨平台问题

4.4  位段的应用

4.5  位段使用注意事项

1.  结构体类型

1.1  旧知识回顾

-- 在前面操作符部分有过初步的了解： 结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体的每个成员都可以是不同类型的变量；比如：数组、指针、其他结构题、体等等。

        --博客跳转链接：结构成员访问操作符

1.1.1  结构体声明

struct tag        struct表明是结构体
{member-list;    一个或多个成员变量
}variable - list    变量列表， 可有可无，在声明变量类型是可同时定义的变量，且为全局变量

--比如，当我们想描述一个学生时，就要包括；姓名、成绩、年龄、学号等等，这时候单一的内置类型就显得力不从心； 哎~~，结构体就上场了：

struct Stu
{char name[20];  名字拼音int age;        年龄char id[20];    学号float score;    成绩//……
};    分号绝对不能丢

1.1.2  结构体的创建和初始化

struct Stu
{char name[20];int age;char sex[5];char id[20];
};int main()
{//初始化--按成员顺序struct Stu s1 = { "liming", 18, "man", "2023319829" };//进行访问-printf("name:%s\n", s1.name);printf("age:%d\n", s1.age);printf("sex:%s\n", s1.sex);printf("id:%s\n", s1.id);printf("\n");//初始化--按指定顺序struct Stu s2 = { .age = 20, .sex = "man", .name = "zhangsan", .id = "2023393839" };printf("name:%s\n", s1.name);printf("age:%d\n", s1.age);printf("sex:%s\n", s1.sex);printf("id:%s\n", s1.id);return 0;
}

1.2  结构体的特殊声明

--在声明时，结构体也存在着不完全声明：

        --匿名结构体：

struct
{int a;char b;float c;
}x;//全局变量struct
{int a;char b;float c;
}* p;

--可以发现，上面的结构体省略了标签-tag；

--那如果在上面代码的基础，那下面的合理吗？

p = &x;

警告：

--虽然上面两个结构体成员相同，但是编译器会将上面两个声明当作不同的类型（类似两个同名但不同地址的房屋），会导致类型不兼容错误；

--匿名结构体（无标签）只能通过原始定义使用（同时声明结构体、变量），无法在其他地方引用相同的类型。匿名结构体无法复用-改进：

        --使用结构体标签、用 typedef 创建类型别名；

1.3  结构体的自引用

--在对结构体进行定义后，那是否可以将结构体本身当作结构体的一个成员呢？

        --比如定义一个链表的结点：

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

--这样其实是错误的！！

        --因为当结构体里面在包含一个同类型的结构体，会导致结构体内存无限大，显然是错误的。

--但是可以这样操作（可以包含指向同类型的指针）：

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，容易引入问题，看下面的代码：

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

        --这样也是错误的！！因为Node是重命名来的，在结构体内部提前使用重命名的结果是不可行的。所以最好不要使用匿名结构体！！

2.  结构体内存对齐（热门考点）

--了解了基础知识后，下面来谈一谈它的内存如何计算？？

2.1  对齐规则

结构体对齐规则：

  • 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；
  • 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；

  • 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；
  • 如果嵌套了结构体，嵌套者对齐到自己成员最大对齐数的整数倍，总的结构体大小由第3条进行判断（包括嵌套者的成员）；

--这样干巴得理解还是有点模糊，别急，下面几道例题来救一下！

习题1


struct s1
{char c1;int i;char c2;
};int main()
{printf("%zd\n", sizeof(struct s1));	12return 0;
}

图解演示——

习题2

struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%zu\n", sizeof(struct S2));//8
}

图解演示——

习题3

struct S3
{double d;char c;int i;
};int main()
{printf("%zu\n", sizeof(struct S3));//16
}

图解演示——

习题4--嵌套结构体大小

struct S3
{double d;char c;int i;
};
struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};int main()
{printf("%zu\n", sizeof(struct S4));  32
}

图解演示——

2.2  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：结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法。

--那该如何做到是设计结构体是，满足对齐和节省空间呢，对此，我们可以让占用空间小的成员尽量集中在一起。（减少空间浪费）

struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
struct S2
{char c1;char c2;int i;
};int main()
{printf("%zu\n", sizeof(struct S1));  12printf("%zu\n", sizeof(struct S2));  8
}

--看上面的代码，成员一样，但是排列顺序不同，明显看到S2更小一点。

2.3  修改默认对齐数

--#pragma 预处理指令，可以改变默认对齐数，但是一般设置为2的次方数。

#pragma pack(2)//设置默认对⻬数为2
struct S
{char c1;int i;char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，还原为默认，下次再到别的结构体中就是默认的了
int main()
{//输出的结果是什么？printf("%d\n", sizeof(struct S));//8return 0;
}

3.  结构体传参

struct S
{int data[1000];int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };//结构体直接传参
void print1(struct S s)
{printf("%d\n", s.num);
}//结构体通过地址传参
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;
}

--很显然，通过地址来传参数最好的：

  • 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；

4.  结构体实现位段

4.1  什么是位段

--位段的声明和结构十分类似，但有者两个不同：

  • 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；

        --比如：

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

补充——

--一般习惯在位段成员加上'-' ；

--冒号后面的数字表示：这个成员要占用的比特位的数量；

--A就是⼀个位段类型。 那位段A所占内存的大小是多少呢？   

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。；
struct S
{char a : 3;char b : 4;char c : 5;char d : 4;
};int main()
{struct S s = { 0 };s.a = 10;s.b = 12;s.c = 3;s.d = 4;//空间是如何开辟的？
}

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位机器最大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  位段的应用

--图片为网络协议中，IP数据报的格式，可以看到其中大多属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段能够实现想要的结果，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。

4.5  位段使用注意事项

--位段的几个成员共有同⼀个字节，导致有些成员的起始位置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。

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

旧知识回顾——

#C语言——学习攻略：数据在内存中的存储--整数在内存中的存储，大小端字节序和字节序判断，浮点数在内存中的存储

#C语言——学习攻略：探索内存函数--memcpy、memmove的使用和模拟实现，memset、memcmp函数的使用

结语：本篇文章到此结束，呈现了自定义--结构体的内容，内涵丰富，大家要多次回顾，如果这篇文章对你的学习有帮助的话，欢迎一起讨论学习，你这么帅、这么美给个三连吧~~~

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