C语言：自定义类型——结构体

一、什么叫做结构体

? ? ? ? C语?已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，假设我想描述学?，描述?本书，这时单?的内置类型是不?的。描述?个学?需要 名字、年龄、学号、??、体重等；描述?本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型。

? ? ? ? 数组是一组相同类型元素的集合，而结构体同样也是一些值的集合，不同的是，在结构体中，这些值被称为成员变量，而结构体的每个成员变量可以是不同类型的变量：如： 标量、数组、指针，甚?是其他结构体。

二、结构体类型的声明

?2.1 结构体的声明形式

struct tag
{
 member-list;//成员列表
}variable-list;//变量列表

struct：结构体的关键字。

tag：为结构体的命名（结构体标签），一般来说会根据实际意义来取。

member-list：成员变量列表，每个成员变量可以是不同类型的变量。

variable-list：结构体类型创建的变量列表（也可以不创建）

例如描述一个学生：

2.2 结构体成员访问操作符

2.2.1 结构体成员的直接访问

结构体成员的直接访问是通过点操作符（.）访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示。

使用方式：结构体变量.成员名

2.2.2?结构体成员的间接访问

有时候我们得到的不是?个结构体变量，?是得到了?个指向结构体的指针。如下所?：

使用方式：结构体指针->成员名

2.3?结构体变量的创建和初始化

一般来说，结构体初始化一般是按照结构体成员的顺序进行的。

但是，我们也可以通过结构体访问操作符，实现指定顺序初始化！

2.4 匿名结构体

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

上面两个结构体在声明的时候省略了结构体。

我们可以发现，上面两个结构体的成员变量是一致的，但是如果在上面的代码基础上，使用p=&x，会发生警告！！

原因：

1.因为是匿名结构体，编译器会把上面两个声明当成是两个完全不同的结构体类型！

2.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。

对匿名结构体重命名，操作如下图

此时的S为该匿名结构体的标签，可以利用他来创建该结构体类型变量。

2.5 结构的自引用

在结构中包含?个类型为该结构本?的成员是否可以呢？

?如，定义?个链表的节点：

仔细分析，这其实是不行的，因为结构体中在包含一个同类型的结构体，这样结构体就会无穷的大，是不合理的！

正确的自引用方式应该是包含下一个结构体的指针类型！

在结构体?引?使?的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，也容易引?问题，如下面的代码：

Node是对前面的匿名结构体类型的重命名产生的，但是在匿名结构体的内部提前使用了Node类型来创建成员变量，这是不行的！！

所以如果需要对结构体进行自引用，就不要使用匿名结构体！！！！

三、结构体的内存对齐

我们要深入讨论一个问题：如何计算结构体的大小。

我们来观察下面的代码：

我们发现两个结构体的成员变量都是一样的，只不过是顺序不同，但是结构体大小却不一样，这是为什么呢？？下面就来探究结构体的内存对齐。

3.1 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?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?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?数，对?数就是成员自身的大小

3. 结构体总大小为最?对?数（结构体中每个成员变量都有?个对?数，所有对?数中最?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?到??的成员中最?对?数的整数倍处，结构 体的整体大小就是所有最?对?数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

通过以上对齐规则，我们来解析刚刚的代码：

s1：c1在偏移量为0的地方

? ? ? ? c2的对齐数是1，放在1的倍数处即可，所以可以放在1的位置

? ? ? ? i的对齐数是4，要放在4的倍数处，所以从4开始放，一直放到7

全都放完后占用了8个字节，恰好是s1最大对齐数4的倍数，所以s1占8个字节。

s2：c1在偏移量为0的地方

? ? ? ? i的对齐数是4，要放在4的倍数处，所以从4开始放，一直放到7

? ? ? ? c2的对齐数是1，放在1的倍数处即可，所以可以放在8的位置?

全部放完占用了9个字节，但9并不是最大对其数4的倍数，所以得变成12，所以s2占12个字节

如果是嵌套结构体呢？？？

3.2 offsetof宏函数

offsetof是一个宏函数，作用是计算结构体成员相较于起始位置的偏移量

他的头文件是stddef.h 第一个参数是结构体类型，第二个参数是结构体成员。

下面我们通过offsetof来验证之前的S4

3.3 为什么需要内存对齐？

我们发现，无论怎么分配内存空间，都会存在空间的浪费，那么为什么需要内存对齐这样的规则呢？

?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。举个例子，比方说在某些平台上，整型数据的提取只能在4的倍数处的地址。

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。（读地址一般是在对齐边界上读取）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?是拿空间来换取时间的做法。

所以我们如果想要既满足对齐，又节省空间，可以让占用空间小的成员尽量集中在一起！比如刚刚提到的s1和s2就是很好的例子！

3.4 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?数。

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。

四、结构体传参

上?的 print1 和 print2 函数哪个好些？

答案是：?选print2函数。

原因：

1、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。

2、如果传递?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。

如果我们不希望传结构体地址时改变结构体的内容，可以加上const修饰！

五、结构体实现位段

5.1 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 或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：

我们发现，如果是结构体，应该是16个字节的大小，但是使用位段后只有8个字节的大小，原因就在于：后面的数字，_a：2的意思就是只用2个bit位表示a，_b：5的意思就是只用5个bit位表示b……

位段的出现就是为了节省空间（比如说a可能只有0 1 2 3的可能性，那么他最多只需要2个bit位就可以表示，所以_a：2可以最大限度地利用空间）

既然位段可以节省空间，那2+5+10+30=47，其实结构体A只需要47bit位的空间，按道理来说最多需要6个字节即可，那为什么得到的结果是8呢？

其实位段并不是无限制地节省空间，他也有自己地内存分配规则，下面将进行介绍！

5.2 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?式来开辟的。

在vs2022环境下，位段内存是如何分配的呢？

下面举个例子：

首先，我们提出以下假设：

1.每个字节的使用顺序是从右往左

2.剩余空间不足就浪费

验证:

a=10 二进制表示是1010，因为只有3位，所以只取010

b=10 二进制是1100，正好4位

c=3 二进制是11，补成5位是00011

d=4是100，补成4位是0100

假设我们申请了第一个字节的空间0000 0000，先把a的010从右往左放进去，变成了0000 0010，再把b的1100放进去变成了0110 0010 剩下1位不够放c了，再申请第二个字节空间0000 0000，把c的00011放进去变成了 0000 0011，只剩下4位，此时不够放d了，再申请一个字节空间0000 0000将d的0100放进去变成0000 0100，所以一共使用了3个字节的空间，这3个字节空间分别是? ? ? ? ? ? ?0110 0010? ? ? ? ? ? ?? 0000 0011? ? ? ? ? ?0000 0100? ? ? 翻译成16进制就是? 62 03 04 我们可以通过内存来观察是否正确

符合我们预期，并且占用空间也如我们分析的3个字节，所以假设成立。

结论：在vs2022环境下，每个字节的使用顺序是从右往左，剩余空间不足就浪费。

5.3 位段的跨平台问题

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?位段。

原因：

1. int 位段被当成有符号数还是?符号数是不确定的。

2. 位段中最?位的数?不能确定。（16位机器最?16，32位机器最?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?较?，?法容纳于第?个位段剩余的位时，是舍弃 剩余的位还是利?，这是不确定的。

结论：?

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。

5.4 位段的应用

下图是?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?个bit位就能描述，这? 使?位段，能够实现想要的效果，也节省了空间，这样?络传输的数据报??也会较??些，对?络 的畅通是有帮助的。

5.5 位段使用的注意事项

位段的?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?&操作符，这样就不能使?scanf直接给位段的成员输?值，只能是先输? 放在?个变量中，然后赋值给位段的成员