C语言从入门到实战——结构体与位段

结构体与位段

  • 前言
  • 一、结构体类型的声明
    • 1.1 结构体
      • 1.1.1 结构的声明
      • 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
    • 1.2 结构的特殊声明
    • 1.3 结构的自引用
  • 二、 结构体内存对齐
    • 2.1 对齐规则
    • 2.2 为什么存在内存对齐
    • 2.3 修改默认对齐数
  • 三、结构体传参
  • 四、 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 位段使用的注意事项

前言

C语言中的结构体是一种自定义的数据类型，可以用来表示多个不同类型的数据的集合。结构体是由多个变量组成的，每个变量称为结构体的成员。

使用结构体需要先定义结构体类型，然后可以声明该类型的变量。

定义结构体类型的语法如下：

struct 结构体类型名 {
    成员类型1 成员名1;
    成员类型2 成员名2;
    ...
};

例如，定义一个表示学生的结构体类型：

struct Student {
    int id;
    char name[20];
    float score;
};

上面的代码定义了一个名为Student的结构体类型，该类型有三个成员：id、name和score。

声明结构体变量的语法如下：

struct 结构体类型名 变量名;

例如，声明一个名为student1的Student结构体变量：

struct Student student1;

可以使用.操作符来访问结构体变量的成员，例如：

student1.id = 1;
strcpy(student1.name, "Tom");
student1.score = 90.5;

上面的代码给student1结构体变量的成员赋值。

结构体变量的初始化可以使用赋值运算符=，例如：

struct Student student2 = {2, "Jerry", 85.5};

上面的代码创建了一个名为student2的Student结构体变量，并初始化了其成员的值。

结构体变量的成员可以使用.操作符来访问，例如：

printf("学生ID：%d\n", student1.id);
printf("学生姓名：%s\n", student1.name);
printf("学生成绩：%f\n", student1.score);

上面的代码输出了student1结构体变量的成员的值。

注意，结构体的成员可以是任意类型，包括基本数据类型、指针、数组、其他结构体等。可以通过.操作符来访问结构体的成员，也可以使用指针来访问结构体的成员，使用指针访问结构体的成员需要使用->操作符。

例如，使用指针访问结构体的成员：

struct Student *ptr_student = &student1;
ptr_student->id = 3;
strcpy(ptr_student->name, "Alice");
ptr_student->score = 95.5;

C语言中，位段（bit-field）是一种数据结构，用于将内存空间的位字段化。它可以让用户指定一个存储单元中需要使用的位数。

位段使用的语法形式如下：

struct {
  type [member_name] : width;
};

其中，type 可以是整型数据类型（如 int、char 等），[member_name] 是位段的名称，width 是位段的宽度，指定了需要使用的位数。

例如，下面的代码定义了一个具有 3 个位段的结构体：

struct {
  unsigned int a : 4;
  unsigned int b : 5;
  unsigned int c : 3;
} bitfield;

在这个结构体中，a 的宽度为 4 位，b 的宽度为 5 位，c 的宽度为 3 位。

位段可以用于节省内存空间，因为它只使用所需的位数，而不是整个字节或字的空间。

然而，由于位段是由编译器决定如何存储，它的具体实现可能在不同的编译器和平台上有所不同。因此，在使用位段时需要注意其可移植性和实现细节。

一、结构体类型的声明

1.1 结构体

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

1.1.1 结构的声明

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

例如描述一个学生：

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 结构体变量的创建和初始化

#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 = "lisi", .id = "20230818002", .sex = "女" };
	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;
}

在这里插入图片描述

1.2 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

比如：

//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掉了结构体标签（tag）。

那么问题来了？

//在上面代码的基础上，下面的代码合法吗？
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。

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 结构的自引用

在结构体中包含一个类型为该结构本身的成员是否可以呢？

比如，定义一个链表的节点：

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

上述代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 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。

正确的自引用方式：

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，也容易引入问题，看看下面的代码，可行吗？

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

答案是不行的，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，这是不行的。

解决方案如下：定义结构体不要使用匿名结构体

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

二、 结构体内存对齐

我们已经掌握了结构体的基本使用了。

现在我们深入讨论一个问题：计算结构体的大小。

2.1 对齐规则

首先得掌握结构体的对齐规则：

  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。

  • 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
  1. 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。
  2. 如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体成员对齐到自己的成员中最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体中成员的对齐数）的整数倍。

当然，除上述之外，我们还可以使用宏定义来实现偏移量的计算
offsetof 计算结构体相较于起始位置的偏移量

//练习1
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S1));
//练习2
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
//练习3
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};
	printf("%d\n", sizeof(struct S4));

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

#include <stdio.h>
#include<stddef.h>
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
int main()
{
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c1));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, i));
	printf("%d\n", offsetof(struct S1, c2));

	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.2 为什么存在内存对齐

大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。
  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。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。

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

//例如：
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

S1 和 S2 类型的成员一模一样，但是 S1 和 S2 所占空间的大小有了一些区别。

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齐数。

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

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。

三、结构体传参

struct S
{
	int data[1000];
	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;
}

上面的print1和 print2 函数哪个好些？

答案是：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。

四、 结构体实现位段

结构体讲完就得讲讲结构体实现位段的能力。

4.1 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一个冒号和一个数字。
    比如：

位段的出现就是为了节约空间

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

A就是一个位段类型。

那位段A所占内存的大小是多少？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

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。
//一个例子
struct S
{
	char a:3;
	char b:4;
	char c:5;
	char d:4;
};

	struct S s = {0};
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;
//空间是如何开辟的？

在这里插入图片描述

在vs里位段是从右向左使用的，在其他编译器下需要自己验证

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：跟结构体相比，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

下图是网络协议中，IP数据报的格式，我们可以看到其中很多的属性只需要几个bit位就能描述，这里使用位段，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较小一些，对网络的畅通是有帮助的。
在这里插入图片描述

4.5 位段使用的注意事项

位段的几个成员共有同一个字节，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;
}

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