C语言结构体类型

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前言

哈喽，各位位小伙伴大家好！ C语言除了int char…这些内置类型。还有自定义类型。今天小编就带大家一窥这自定义类型中结构体的神秘面纱。话不多说，向大厂冲锋！

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一.结构体

1.1结构体类型的声明

C语言已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但是只有这些内置类型还是不够的，假设我想描述学生，描述⼀本书，这时单⼀的内置类型是不行的。描述⼀个学生需要名字、年龄、学号、身高、体重等；描述⼀本书需要作者、出版社、定价等。C语言为了解决这个问题，增加了结构体这种自定义的数据类型，让程序员可以自己创造适合的类型。

那结构体如何声明呢？

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

struct是结构体关键字 后面是自定义的结构体名字 最后的分号不能省略。

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

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1.2结构体变量的创建和初始化

结构体变量有两种创建方式。

• 方式一：
  在结构体声明括号后写变量名。声明的同时创建变量。

struct Stu
{
	char name[20];//名字
	int age;//年龄
	char sex[5];//性别
	char id[20];//学号
}s1; //分号不能丢

• 方式二：
  在声明结构体后，用声明的结构体类型创建一个变量。

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()
{
	struct Stu s2;
	return 0;
}

结构体的初始化。

• 顺序初始化
  只需要按照结构体成员列表一一赋值即可。

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()
{
	struct Stu s21 = { "张三",18,"男", "2023114920" };
	return 0;
}

• 自定义顺序初始化
  其实还可以自定义顺序初始化。用点操作符即可。

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()
{
	struct Stu s1 = { .age = 18,.id = "2023114920",.name = "张三",.sex = "男" };
	return 0;
}

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1.3结构成员访问操作符

• 直接访问
  结构体成员的直接访问是通过点操作符（.）访问的。点操作符接受两个操作数。如下所示：

struct Point
{
 int x;
 int y;
}p = {1,2};
int main()
{
 printf("x: %d y: %d\n", p.x, p.y);//点操作符
 return 0;
}

使用方式：结构体变量.成员名

• 间接访问
  有时候我们得到的不是⼀个结构体变量，而是得到了⼀个指向结构体的指针，那这时该如何访问呢？

struct Point
{
 int x;
 int y;
};
int main()
{
 struct Point p = {3, 4};
 struct Point *ptr = &p;
 ptr->x = 10;
 ptr->y = 20;
 printf("x = %d y = %d\n", ptr->x, ptr->y);//间接访问操作符
 return 0;
}

这时我们只需用->操作符即可。
使用方式：结构体指针->成员名

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1.4结构的特殊声明

其实在声明结构的时候，可以不完全的声明。

//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;//*p是结构体指针

这种结构体我们称为匿名结构体。
由于其特殊性，所以在使用匿名结构体时要特别小心。否则可能会存在风险。

例如：

//在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？
p = &x;

由于是匿名结构体，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。

另外，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。
如果我们想多次使用时就需要对结构体类型重命名。

typedef struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}x;

只需在结构体关键字前加上typedef即可。

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1.5 结构的自引用

链表就是将多个结构体串联在一起的结构。每个链表的结构体是一个节点。那他们是怎么串联的呢？

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;//结构体
};

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;//结构体地址
};

所以我们应该用地址的方式将每个节点串成一个链表。

• 匿名结构体自引用
  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。先后顺序不能乱。

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二.结构体内存对齐

2.1对齐规则

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

typedef struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}S;
int main()
{
	S s = { 0 };
	printf("%zd", sizeof(s));
	return 0;
}

这里我创建一个结构体变量s,大家觉得s的大小是多少？
可能很多人会这么算：4+1+4=9。

可是结果是12，这是因为结构体在内存中有自己的对齐规则。
那对齐规则是啥呢？

• 偏移量
  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。

• 对齐数
  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 中默认对齐数的值为 8。
  Linux中 gcc 没有默认对齐数，对齐数就是成员自身的大小。

• 最大对齐数
  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。

• 嵌套结构体
  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

可能这么说规则大家不太清楚，接下来小编带大家做几道练习大家就懂了。

• 练习一：

typedef struct
{
	int a;
	char b;
	float c;
}S;

• 练习二：

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

• 练习三：

typedef struct S3
{
	double d;
	char c;
	int i;
}S;

• 练习四：

struct S3
{
 double d;
 char c;
 int i;
};
//练习4-结构体嵌套问题
struct S4
{
 char c1;
 struct S3 s3;
 double d;
};

相信看到这里小伙伴们都知道结构体的对齐规则了吧。

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2.2内存对齐的原因

可能有小伙伴有疑惑了，这内存对齐不是在浪费空间吗?内存对齐有啥用呢？
设计者这么设计自然有它的道理，接下来我们就来了解一下为啥要内存对齐。

• 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。

那有没有办法既能节省空间，又能满足对齐。
那就需要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。

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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;
}

因为我们把默认对齐数改成1，所以直接不对齐填充。1+4+1=6

• 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。

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2.4 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。

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三.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。
注意位段一定是基于结构体实现的。

3.1位段的声明：

位段的声明和结构是类似的，有两个不同：

• 位段成员
  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。

• 位段形式
  位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

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

那这个数字是代表什么意思呢？

所以数字就是我们指定所占空间的大小。
所以位段就是专门用来节省内存空间的。

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3.2位段的内存分配

typedef struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
	//2+5+10+30=47 6*8=48
	//6个字节就够了？
}a;
int main()
{
	printf("%zd", sizeof(a));
	return 0;
}

大家觉得这个结构体的大小是多少？
可能很多小伙伴都觉得是按照位段大小算出6。

大家发现结果是8，但是即使是8也比4*4=6个字节节省很多空间
那为什么不是6呢？这是因为位段在内存中也是有自己的分配规则的

• 成员
  位段的成员可以是 int unsigned int signed int 或者是 char 等类型

• 开辟方式
  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。

• 不确定性
  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。

这里我们通过一个例子让大家熟悉这些规则。

typedef struct A
{
	char a : 3;
	char b : 4;
	char c : 5;
	char d : 4;
}s;
int main()
{
	s s1 = { 0 };
	s1.a = 10;
	s1.b = 12;
	s1.c = 3;
	s1.d = 4;
	printf("%zd", sizeof(s));
	return 0;
}

大家可以发现就是3个字节。
这里我们还可以验证一下。

如果按照我们的想法内存中存的应该是620304，是不是呢？

答案是是的，所以位段在内存中的分配就是和我们说的一样。

那这时我们再来分析刚才的代码。

typedef struct A
{
	int _a : 2;
	int _b : 5;
	int _c : 10;
	int _d : 30;
	//2+5+10+30=47 6*8=48
	//6个字节就够了？
}a;
int main()
{
	printf("%zd", sizeof(a));
	return 0;
}

先开辟一个4字节的空间存放前三个位段，剩余空间不够存放30个比特位。
新开辟4字节空间存放。所以就是8字节的空间大小。

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3.3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。

那该怎么解决跨平台问题呢？ 那就需要根据不同的平台规则，写不同的代码。

3.4位段的应用

我们想想平时我们在网络上的信息时如何传输的呢？

其实我们在网络上发的信息会被包装成一个包裹，然后再通过网络传输。
而这个包裹就是IP数据报

• IP数据报
  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。
  

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3.5位段使用的注意事项

• 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。
• 解决办法
  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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后言

这就是C语言结构体的知识啦，结构体这个知识点还是很重要的，后面我们学链表也是会用到。小伙伴很可以多加消化和理解。今天就分享到这里，感谢各位小伙伴垂阅！咱们下期见！拜拜~