本文索引
- 一. 结构体类型的声明
- 1. 结构体的声明和初始化
- 2. 结构体的特殊声明
- 3. 结构体的自引用
- 二. 结构体内存对齐
- 1. 对齐规则
- 2. 为啥存在对齐?
- 3. 修改默认对齐值
- 三. 结构体传参
- 四. 结构体实现位段
- 1. 什么是位段?
- 2. 位段的内存分配
- 3. 位段的应用
- 4. 位段的注意事项
前言:
这篇博客将对结构体类型进行详解, 后续我还会对枚举与联合体进行详解
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正文开始
一. 结构体类型的声明
1. 结构体的声明和初始化
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。
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
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
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
};//分号不能丢
int main()
{
//按照结构成员的顺序初始化
struct Stu s = { "zhangsan", 20 , "nan","20230818001" };
printf("%s\n", s.name);
printf("%d\n", s.age);
printf("%s\n", s.sex);
printf("%s\n", s.id);
//按照指定的顺序初始化
struct Stu s2 = { .age = 20,.name = "lisi",.id = "12345678",.sex = "nv" };
printf("%s\n", s2.name);
printf("%d\n", s2.age);
printf("%s\n", s2.sex);
printf("%s\n", s2.id);
return 0;
}
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。
//匿名结构体
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，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。
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了
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。
这也是⼀个特别热⻔的考点： 结构体内存对⻬
1. 对齐规则
1.结构体的第⼀个成员对⻬到和结构体变量起始位置偏移量为0的地址处
2.其他成员变量要对⻬到某个数字（对⻬数）的整数倍的地址处。
对⻬数=编译器默认的⼀个对⻬数与该成员变量⼤⼩的较⼩值。
-VS 中默认的值为 8
-Linux中gcc没有默认对⻬数，对⻬数就是成员⾃⾝的⼤⼩
3.结构体总⼤⼩为最⼤对⻬数（结构体中每个成员变量都有⼀个对⻬数，所有对⻬数中最⼤
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⻬到⾃⼰的成员中最⼤对⻬数的整数倍处，
结构体的整体⼤⼩就是所有最⼤对⻬数（含嵌套结构体中成员的对⻬数）的整数倍。
//练习1
struct S1
{
char c1;
int i;
char c2;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
return 0;
}
解析: 首先c1存放在偏移量为0的位置处, i的对其数为4, 需要对其到起始位置的4倍,如下图, c2对其数为1, 如下图, 然后结构体的总大小为最大对其数的整数倍,即为12个字节
画图:
//练习2
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
return 0;
}
解析: c1对齐数1, 对齐到起始位置1倍, c2对齐数1, 对齐到起始位置1倍, i对齐数4,对齐到起始位置4倍, 整体为4的整数倍.
画图:
//练习3
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
return 0;
}
解析: d的对齐数为8, c的对齐数为1,对齐到起始位置的1倍, i 的对齐数为4, 对齐到起始位置的4倍
画图:
//练习4-结构体嵌套问题
struct S3
{
double d;
char c;
int i;
};
struct S4
{
char c1;
struct S3 s3;
double d;
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S4));
return 0;
}
解析: 首先, c1的对齐数为1, s3的对齐数取其成员最大对齐数为8, d对齐数为8,总大小为8的倍数
画图:
2. 为啥存在对齐?
⼤部分的参考资料都是这样说的：
-
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。 -
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⻬。原因在于，为了访问未对⻬的内存，处理器需要作两次内存访问；⽽对⻬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⻬成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：结构体的内存对⻬是拿空间来换取时间的做法。
那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到：
那在设计结构体的时候，我们既要满⾜对⻬，⼜要节省空间，如何做到：
//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。
3. 修改默认对齐值
#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;
}
结构体在对⻬⽅式不合适的时候，我们可以⾃⼰更改默认对⻬数。
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
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？
接下来我们就来了解位段的内存分配
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};
//如果让
s.a = 10;
s.b = 12;
s.c = 3;
s.d = 4;
//空间是如何开辟的？
但是位段存在几个跨平台的问题:
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。
(比如int位数写成int _e : 27在16位机器上是错误的,因为16位机器int占2个字节)
4. 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。
5. 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。
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。
3. 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。
4. 位段的注意事项
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;
}
完
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