＜结构体＞
- 1. 结构体类型的声明
- 1.1 结构体回顾
- 1.1.1 结构体的声明
- 1.1.2 结构体变量的创建和初始化
- 1.2 结构体的特殊声明
- 1.3 结构体的自引用
- 2. 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
- 3. 结构体传参
- 4. 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
1. 结构体类型的声明
前面我们在学习操作符的时候，已经学习了一些结构体的知识，在这里呢稍微的带大家复习一下。
1.1 结构体回顾
结构体是一些值的集合，这些值称为成员变量。结构体内的每个成员可以是不同类型的变量。
1.1.1 结构体的声明
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;
}
1.2 结构体的特殊声明
在声明结构体的时候，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 结构体的自引用
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，定义一个链表的结点：
struct Node
{
int data;
struct Node next;
};
上述代码正确吗？如果正确，那sizeof(strucr 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，这样的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：定义结构体不要再使用匿名结构体
typedef struct Node
{
int data;
struct Node *next;
} Node;
2. 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：结构体的内存对齐
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.如果是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));
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）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问；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。
总的来说：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。
3. 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。
4. 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
位段的声明和结构体是类似的，有两个不同：
- 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。
- 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。
比如：
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呢？
printf("%d\n", sizeof(struct A));
4.2 位段的内存分配
-
位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型
-
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。
-
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？
4.3 位段的跨平台问题
-
int 位段被当成有符号数还是无符号数是不确定的。
-
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。
-
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。
-
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。
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，这里面使用位段，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。
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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