C语言——结构体

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目录

前言：我们在后面的学习中我们会用到很多结构体类型，这个主要体现在后面要学习的数据结构这门课。结构体是包含许多类型的类型

1. 结构体类型的声明

1.1 结构的声明

1.1.1结构体变量的创建

1.1.2 结构体变量的初始化

1.2 结构的特殊声明

1.3 结构体的自引用

2. 关于结构体的内存对齐

2.1 对齐的规则

2.2 为什么要存在内存对齐？

2.3 修改默认对齐数

3. 结构体的传参

4. 结构体实现位段

4.1 那么什么是位段呢？

4.2 位段的内存分配

4.3 位段的跨平台问题的解决

4.4位段的应用

5 位段使用的注意事项

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前言：我们在后面的学习中我们会用到很多结构体类型，这个主要体现在后面要学习的数据结构这门课。结构体是包含许多类型的类型

1. 结构体类型的声明

结构体是一些值的集合，这些被称为成员变量。结构体的每个成员可以是不同类型的变量。

1.1 结构的声明

struct tag
{
     member-list;
}variable-list;

在声明结构体时必须使用关键字 struct；

1.1.1结构体变量的创建

假设描述一个学生：

struct Stu
{
     char name[20];//名字
     int age;//年龄
     char sex[5];//性别
     char id[20];//学号
}; //分号不能丢

1.1.2 结构体变量的初始化

#include <stdio.h>
struct Stu
{
     char name[20];//名字
     int age;//年龄
     char sex[5];//性别
     char id[20];//学号
};
int main()
{
         //按照结构体成员的顺序初始化
     struct Stu s = { "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
     struct Stu s2 = { .age = 18, .name = "zhangsan", .id = "20230818002", .sex = "?"
     printf("name: %s\n", s2.name);
     printf("age : %d\n", s2.age);
     printf("sex : %s\n", s2.sex);
     printf("id : %s\n", s2.id);
     return 0;
}

1.2 结构的特殊声明

在声明结构体的时候，可以是不完全的声明。

//匿名结构体类型
struct
{
     int a;
     char b;
     float c;
}x;

struct
{
     int a;
     char b;
     float c;
}a[20], *p;

上面的两个结构在声明的时候省略了结构体标签

我们会想在上面的代码的基础上，p=&x;合法吗？

结论是：在这种情况下编译器会把上面的两个声明当成完全不同的两个类型，所以不合法；

要知道的是：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。

1.3 结构体的自引用

我们一般会思考在结构体中如果包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以？

例如：要定义一个链表的节点：

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

看到上面的代码仔细分析后，其实这样的写法是不行的，因为一个结构体中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，这是不合理的。

正确的自引用的方法：

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

如果在结构体自引用使用的过程中，夹杂了 typedef 关键字对匿名结构体类型重命名，也容易发生错误，例如：

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

显然是错误的，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了。

正确的处理方法是：

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

2. 关于结构体的内存对齐

在上面的学习后我们已经基本掌握了结构体的基本使用了。现在我们要深入了解一个问题：计算结构体的大小。也就是结构体内存对齐。

2.1 对齐的规则

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。

（不同的编译器默认的值不同，VS中默认值是8）

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，所以对齐数中最大的）的整数倍。

4、如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，结构体的整数大小就是所以最大对齐数（包含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

2.2 为什么要存在内存对齐？

1、平台原因（移值原因）：

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?然边界上对?。原因在于，为了访问未对?的内存，处理器需要 作两次内存访问；?对?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?成8的倍数，那么就可以 ??个内存操作来读或者写值了。否则，我们可能需要执?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。

2.3 修改默认对齐数

#pragam 这个预指令，可以改变编译器的默认对齐数。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。

#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对?数为1
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对?数，还原为默认
int main()
{
	//输出的结果是什么？
	printf("%d\n", sizeof(struct S));//6,如果对齐数是2的话，那结果就是8
	return 0;
}

?我们这样做的目的就是，当对齐数方式对我们来说不适合的时候，我们可以根据自己的需求来设置。

3. 结构体的传参

struct S
{
	int data[1000];//整型数组
	int num;
};
struct S s = { {1,2,3,4}, 1000 };
//结构体传参
void print1(struct S s)
{
	printf("%d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
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;
}

我们运行的结果，两种方法都可以运算出来。但是其实真正看来选地址传参要比整体传参在性能上要好的多。

因为：函数在传参的时候，参数是需要压栈的，会在时间和空间上的系统上开销。如果传递的结构体过大，在进行整体传参的时候，开销比较大，所以会导致性能的下降。

4. 结构体实现位段

我们看完结构体，我们现在要看看结构体实现位段的能力。

4.1 那么什么是位段呢？

位段的声明和结构体是类似的，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是其他类型）

2、位段的成员名后边有一个冒号和数字。

例如：

struct A
{
	int _a : 2;//分配2bit空间
	int _b : 5;//分配5bit空间
	int _c : 10;
	int _d : 30;
};

里面的A就是一个位段。A所占的空间与成员有关。

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等一些类型

2、位段的空间上是按照需要以4个字节（int）或1个字节（char）的方式来开劈的。

3、位段涉及很多的因素，记住位段是不跨平台的，但是注意可移植的程序应该避免使用位段。

//位段分配空间--节省空间，但是不跨平台
//位段空间上是按照需要以4个字节或1个字节的方式开始的
//位段涉及很多因素，位段是不跨平台的
//在vs上先从右向左使用，如果剩余的空间不够下一个成员使用，就浪费。
struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};
int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 20;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
	printf("%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

4.3 位段的跨平台问题的解决

1、int位段被当成有符合数还是无符合数是不确定的。

2、位段中最大位的数目不能确定。（int-4个字节-32bit但是在16位机器上int-2字节-16bit）

3、位段中的成员在内存中从左向右分配，还是从右向左分配的标准尚为定义。

4、当一个结构体包含两个位段，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再次利用，我们都还不确定。

总结：跟结构体相比，位段可以达到同样的效果，并且可以节省空间，但是最大的问题就是跨平台性。

4.4位段的应用

?在上面的IP数据报的格式，我们可以看到，很多属性都只需要几个bit位就可以表示，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比较小一些，对网络的畅通是有帮助的。

5 位段使用的注意事项

1、内存里面每个字节分配一个地址，一个字节内部的比特位是没有地址的

2、不能对位段成员使用&操作符，这样就不能使用scanf直接给位段的成员赋值，只能直接先放一个变量中，在符给段位成员

struct A
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
};
int main()
{
	struct A a = { 0 };
	//scanf("%d", &a.a);//err
	int t = 0;
	scanf("%d", &t);
	a.a = t;
	printf("%d\n", a.a);
	return 0;
}