C语言 | 自定义类型：struct结构体(详解)

--前言

1. 结构体类型的定义与基础结构

2. 结构体的使用

3. typedef相关

4. 结构体的自引用

5. 结构体内存对齐

6. 结构体传参

7. 结构体实现位段

--前言：

c语言中内置类型，也有自定义的类型。

例如：内置类型 int，short，double，long，char，float，void等等。

自定义类型【结构体--struct，枚举--enum，联合体--union】（自定义类型顾名思义就是可以由你自己来定义的类型）

本篇文章主要分析有关结构体方面的内容*#*

1. 结构体类型的定义与基础结构

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里稍微复习⼀下：

结构体就是一些值的集合，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。

说到集合，数组也是集合，但是不同的是数组只能是相同类型元素的集合。

结构体的基础结构：

struct tag
{
member1;
member2;
} variable-list;

// struct是结构体关键字, tag是结构体的标签名,是自定义的
// struct tag就是结构体类型
// { }里面放的是成员列表

// member1 , member2 是结构体成员
// variable-list是变量

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

2. 结构体的使用

2.1结构体的初始化

为了访问结构的成员，我们使用成员访问运算符（.）

引用形式：<结构体类型变量名> . <成员名>

注意：结构体变量不能整体引用，只能引用变量成员

#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);


	//按照自定义的顺序初始化
	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;
	}

注意！：只有结构体变量才分配地址，需要内存空间来存储。而结构体是一种自定义的数据类型，像int，char等这些关键字本身不用占用内存一样，不需要占用内存空间。

2.2 结构体数组

是指数组中的每一个元素都是结构体。常被用来表示一个拥有相同数据结构的群体。

例如：

struct stu
{
    char name[20];  //姓名
    int id;  //学号
    int age;  //年龄
    float score;  //成绩
}class[5];
//表示一个班有5个人

2.3结构体指针

顾名思义，就是指向结构体变量的指针

例如：

struct stu
{
char *name; //姓名
int id; //学号
int age; //年龄
float score; //成绩
} stu1 = { "Tom", 2023910990, 18, 100 };
struct stu *pstu = &stu1; //结构体指针

也可以在定义结构体的同时定义结构体指针：

struct stu{
char *name; //姓名
int id; //学号
int age; //年龄
float score; //成绩
} stu1 = { "Tom", 2023910990, 18, 100 }, *pstu = &stu1；

通过结构体指针获取结构体成员，提供两种方法：

第一种写法中， . 的优先级高于 * ，（*pstu）两边的括号不能少，如果去掉括号就不对了。

第二种写法中， -> 是一个新的运算符，习惯称它为“箭头”，有了它就可以通过结构体指针直接取得结构体成员，这也是 -> 在C语言中的唯一用途。

例如：

我们通常采用第二种写法。

3. typedef相关

3.1什么是typedef？

typedef是在C和C++编程语言中的一个关键字。作用是为现有的数据类型(int、float、char……)创建一个新的名字，目的是为了使代码方便阅读和理解。

3.2使用typedef定义结构体
通常typedef与结构体的定义配合使用。使用typedef的目的使结构体的表达更加简练

例如：

typedef struct student
{
    int age;
    int height;
}std;

//std相当于struct student
//          为它的别名

but千万注意：不要与“定义结构体类型的同时定义结构体类型变量”混淆：

struct student
{
    int age;
    int height;
}std1,std2;
 
//定义student数据类型的结构体
//     和std1、std2结构体变量

3.3使用typedef定义结构体指针

1
 struct student
{
    int age;
    int height;
};
typedef struct student std；
std  *ptr；//定义指针

2
typedef struct student
{
    int age;
    int height;
}std;

//用std代替struct student
std  *ptr；//定义指针

4 结构的自引用

4.1结构体的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。

例如；

//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;

上面的两个结构体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，这个的代码合法吗？--- 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。

4.2结构体的自引用

在结构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了。

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

5. 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。

这也是⼀个特别热门的考点：结构体内存对齐

5.1 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

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，所有对齐数中最⼤的）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

练习一下：

//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));

验证结果是否如此：

5.2 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，做到：

->让占用空间小的成员尽量集中在⼀起

例如：就像前面的两个例子

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。

5.3 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)//设置默认对⻬数为1
struct S
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对⻬数，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。

6. 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。

7. 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

7.1 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。

例如：

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？

7.2 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。

举例：

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;

7.3 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。

7.4 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。

7.5 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;
}