第19讲：自定义类型：结构体

目录

  • 1.结构体类型的声明
    • 1.1 结构体回顾
      • 1.1.1 结构的声明
    • 特殊的结构声明
    • 1.3 结构的⾃引⽤
  • 2. 结构体内存的对齐
    • 2.2 为什么存在内存对⻬?
    • 2.3 修改默认对⻬数
  • 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
    • 4.5 位段使⽤的注意事项

正文开始

1.结构体类型的声明

前面我们在学习操作符的时候，已经学习了结构体的知识，这里稍微复习一下。

1.1 结构体回顾

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。

1.1.1 结构的声明

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

例如描述一个学生：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#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("id:%s\n", s2.id);
	printf("sex:%s\n", s2.sex);
	return 0;
}

特殊的结构声明

在声明结构的时候，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;

2. 结构体内存的对齐

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
2.1 对⻬规则
⾸先得掌握结构体的对⻬规则：

  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
  1. 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。
  2. 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;
};
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 为什么存在内存对⻬?

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：
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 修改默认对⻬数

#pragma 这个预处理指令，可以改变编译器的默认对⻬数。

#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;
}

结构体在对⻬⽅式不合适的时候，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。
    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？

printf("%d\n", sizeof(struct A));

4.2 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。
//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？

在这里插入图片描述

4.3 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。
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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