轻松拿捏C语言——自定义类型之【结构体】

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1. 结构体类型的声明

结构体是一些值的集合

这些值叫做成员或分量或域或项。

结构的每个成员变量可以是不同的类型

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

这是结构体的声明

struct 是结构体关键字，struct Stu 是这个结构体类型名

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;
}

在进行结构体声明时，也可以进行不完全声明：

//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;

上⾯的两个结构在声明的时候省略掉了结构体标签

上⾯的两个声明是完全不同的两个类型。

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。

在结构中包含⼀个类型为该结构本⾝的成员是不可以的

例如：

struct Node
{
 int data;
 struct Node next;
};

这是错误的用法。

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

正确自引用方式：

struct NOde
{
 int data;
 struct Node* next;//定义一个结构体类型指针
};

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，比如：

typedef struct
{
 int data;
 Node* next;
}Node;

这是错误用法，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

所以定义结构体不要使用匿名结构体了

typedef struct Node
{
 int data;
 struct Node* next;
}Node;

3. 结构体内存对齐

结构体成员在内存中存在对齐现象

内存对齐的原因：

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。

所以结构体的内存对齐是拿空间来换取时间的做法，提高程序运行效率，节省空间

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. 其他成员变量的首地址与结构体首地址的偏移量要为该成员对齐数的整数倍

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

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。

如果我们把让占用空间小的成员尽量集中在⼀起，更节省空间，比如：

struct S1
{
 char c1;
 int i;
 char c2;
};
struct S2
{
 char c1;
 char c2;
 int i;
};

S1中结构体大小为 12字节，S2结构体大小为8，因为S2中两个char类型的变量放在了一起（放在int类型的前后都一样，都是8）.

我们可以使用#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;
};
int main()
{
 printf("%d\n", sizeof(struct S));
 return 0;
}

这里结果为6，因为默认对齐系数改为了1，所以是1+4+1

可以用#pragma pack()//取消设置的对齐数，还原为默认

4. 结构体传参

结构体传参的时候，要传结构体的地址

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;
}

print1和print2这两个函数中，print2函数更好，

因为函数传参的时候，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。

5. 结构体实现位段

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 或者是 char 等类型，在C99中位段成员的类型也可以选择其他类型。（一般就是int家族）

2. 位段的成员名后边有⼀个冒号和⼀个数字。

例如：

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

这里位段A所占内存大小为8字节

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

跟结构体相比，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：

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。

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。

例如：

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;
}