C语言.自定义类型：结构体

自定义类型：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位段的分配
    • 4.3位段的跨平台
    • 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

1.1结构体回顾

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

1.1.1结构体的声明

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

例如描述一个学生：

struct stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex;//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>

//描述一个学生：
struct stu
{
	char name[20];//姓名
	int age;//年龄
	char sex[10];//性别
	char id[20];//学号
};

int main()
{
	//按照结构体的顺序初始化
	struct stu s1 = { "zhangsan", 20, "男", "2072855200" };

	printf("name: %s\n", s1.name);
	printf("age : %d\n", s1.age);
	printf("sex : %s\n", s1.sex);
	printf("id  : %s\n", s1.id);

	//按照指定的顺序初始化
	struct stu s2 = { .age = 20, .id = "2072855200", .name = "zhangsan", .sex = "男" };

	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

在生命结构的时候，可以不完全声明。

比如：

struct 
{
	int a;
	char c;
	float f;
}x;

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

在两个结构体声明的时候，省略掉了结构体标签（tag）。

那么问题来了？

//上面的代码合法吗？
p = &x;

警告：

  • 编译器回吧上面的两个声明当成完全两个不同的类型，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，基本上只能用一次

1.3结构体的自引用

在结构体中的包含一个类型为该结构体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;
};

上述的代码正确吗？如果正确，那 sizeof(struct Node) 是多少？

仔细分析，其实是不行的，因为一个结构体中在包含一个类型的结构体变量，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。

2.结构体内存对齐

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原则：

  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 中的默认的值为 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（结构体中的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（韩嵌套结构体成员的对齐数）的整数倍。
#include <stdio.h>

//练习1：
struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

//练习2：
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
	int i;
};

//练习3：
struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
};

//练习4：
struct S4
{
	char c1;
	struct S3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S3));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S4));

	return 0;
}

2.2为什么存在内存对齐

  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。

总的来讲：结构体的对其实拿空间来换取时间的做法。

在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要考虑节省空间，如何做到：

让占用空间小的成员尽量集中在一起。

//例如：
#include <stdio.h>

struct S1
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};

struct S2
{
	char c1; 
	char c2;
	int i;
};

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct S1));
	printf("%zd\n", sizeof(struct S2));

	return 0;
}

S1和S2类型的成员一摸一样，但是S1和S2所占用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>
//设置默认对齐数为1
#pragma pack(1)
struct S
{
	char c1;
	int i;
	char c2;
};
//取消设置的对齐数,还原为默认
#pragma pack()


int main()
{
	printf("%zd\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

#include <stdio.h>

struct S
{
	int data[1000];
	int num;
};

struct S s = { {1,2,3,4,5}, 10 };

//结构体传参
void print1(struct S s)
{
	printf("num = %d\n", s.num);
}
//结构体地址传参
void print2(struct S* s)
{
	printf("num = %d\n", s->num);
}

int main()
{
	print1(s);//传结构体
	print2(&s);//传结构体的地址

	return 0;
}

上面的print1和print2函数那个更好？

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，结构体过打，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

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. 位段的成员后面有一个冒号和一个数字。

比如：

struct A
{
	int _a : 2;//单位是字节
	int _b : 3;
	int _c : 4;
	int _d : 30;
};

A就是一个位段类型。

那位段A所占内存空间大小是多少？

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct A));//8

	return 0;
}

4.2位段的分配

  1. 位段的成员可以是int、 unsigned int、 signed int或者是char等类型。
  2. 位段的空间是按照以4个字节（int）或者1个字节（char）的方式来开辟的。
  3. 位段涉及到很多不确定的因素，位段是不跨平台的，注意可移植的程序应该避免使用位段。
//一个例子：
#include <stdio.h>

struct S
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
};

int main()
{
	struct S s = { 0 };
	s.a = 10;
	s.b = 12;
	s.c = 3;
	s.d = 4;

	return 0;
}
//空间是如可开辟的？

在这里插入图片描述

4.3位段的跨平台

  1. int 位段被当成了有符号还是无符号是不确定的。
  2. 位段中最大位的数目不能确定。（16位机器最大的是16，32位机器最大32，写成17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，无法容纳第一个位段剩余的位段时，是舍弃剩余的位段还是利用，这是不确定的。

总结：

更结构体相比，位段可以达到相同的效果，并且可以很好的节省空间，但是存在跨平台的问题存在。

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，只能先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。
#include <stdio.h>

struct A
{
	int a : 2;
	int b : 5;
	int c : 10;
	int d : 30;
};

int main()
{
	struct A sa = { 0 };
	//scanf("%d", &sa.a);//这是错误的

	//先输入一个值放到一个变量中，然后赋值给位段的成员。
	int b = 0;
	scanf("%d", &b);
	sa.b = b;

	return 0;
}

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