自定义类型: 结构体 (详解) - 服务器托管|北京服务器租用|机房托管租用|IDC托管租用|机房机柜带宽租用-价格及费用咨询

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
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("%sn", s.name);
	printf("%dn", s.age);
	printf("%sn", s.sex);
	printf("%sn", s.id);

	//按照指定的顺序初始化
	struct  Stu s2 = { .age = 20,.name = "lisi",.id = "12345678",.sex = "nv" };
	printf("%sn", s2.name);
	printf("%dn", s2.age);
	printf("%sn", s2.sex);
	printf("%sn", 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

在结服务器托管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("%zdn", 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("%zdn", 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("%zdn", 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 S服务器托管3 s3;
	double d;
};

int main()
{
	printf("%zdn", 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 
#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("%dn", 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("%dn", s.num);
}
//结构体地址传参 
void print2(struct S* ps)
{
	printf("%dn", 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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