C语言:自定义类型——结构体

发布时间:2024年01月16日

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

文章来源:https://blog.csdn.net/weixin_51142926/article/details/135608110
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