C语言基础：（二十）自定义类型：结构体

目录

前言

一、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  结构的特殊声明

1.3  结构的自引用

二、结构体内存对齐

2.1  对齐规则

2.1.1  练习1

2.1.2  练习2

2.1.3  练习3：结构体嵌套问题

2.2  为什么存在内存对齐？

2.2.1  平台原因（移植原因）

2.2.2  性能原因

2.3  修改默认对齐数

三、结构体传参

四、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

4.4  位段的应用

4.5  位段使用的注意事项

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前言

        在C语言中，结构体（struct）是一种强大的复合数据类型，允许将不同类型的数据项组合成一个单一的实体。它广泛应用于数据组织、内存管理以及复杂系统的建模，能够显著提升代码的可读性和模块化程度。无论是实现链表、树等数据结构，还是处理文件记录、网络协议等实际场景，结构体都扮演着关键角色。本文将深入探讨C语言结构体的定义、使用方法、内存对齐机制。下面就让我们正式开始吧！

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一、结构体类型的声明

        前面我们在学习操作符的时候，已经学习过了结构体的知识，这里我们就来稍微复习一下。

1.1  结构体回顾

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

1.1.1  结构体的声明

        结构体声明的格式如下：

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

        例如，我们要用结构体描述一个学生的信息，可以如下声明：

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

1.1.2  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;
}

1.2  结构的特殊声明

        在声明结构的时候，可以不完全的声明。如下所示：

//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;

        上面的两个结构体在声明的时候省略掉了结构体标签（tag）。那么这就有个问题了：

//在上⾯代码的基础上，下⾯的代码合法吗？
p = &x;

        注意：

        编译器会把上面的两个声明当成是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，基本上就只能用一次。

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，我们来定义一个链表的节点：

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

        上述代码是正确的吗？如果正确，那么 sizeof(struct Node) 是多少？

        仔细分析之后，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，这样的结构体变量的大小自会无穷的大，是不合理的。

        那么正确的自引用方式是什么呢？如下所示：

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，现在我们来看看下面的代码：

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。

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

二、结构体内存对齐

        我们现在已经掌握了结构体的基本使用了，那么现在我们再来深入讨论一个问题：那就是计算结构体的大小。

        这也是一个特别热门的面试考点：结构体内存对齐。

2.1  对齐规则

        结构体的对齐规则如下：

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 该变量大小的较小值

• 在VS中默认的对齐数的值为0
• 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，所以对齐数中最大的）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。

        下面我们来看几道练习题：

2.1.1  练习1

//练习1 --- 分析输出结果
struct S1
{char c1;int i;char c2;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S1));
struct S2
{
char c1;
char c2;
int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S2));

        输出结果如下：

2.1.2  练习2

struct S3
{double d;char c;int i;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S3));

        输出结果及画图分析如下：

2.1.3  练习3：结构体嵌套问题

struct S4
{char c1;struct S3 s3;double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));

        画图分析如下：

2.2  为什么存在内存对齐？

        大部分的参考资料对于内存对齐都是这样说的：

2.2.1  平台原因（移植原因）

        不是所有的硬件平台都能够访问任意地址上的任意数据的，某些硬件平台只能够在某些地址处取特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

2.2.2  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，因为的对象可能被放在两个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。

        那么在设计结构体的时候，我们既要满足对齐，又要节省空间，如何做到？

        我们需要让占用空间少的成员尽量都集中在一起：

//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  修改默认对齐数

        #pragma 这个预处理指令可以改变编译器的默认对齐数，如下所示：

#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

        当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。

三、结构体传参

        我们先来看看下面的代码：

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printf2函数。为什么？

        函数传参的时候，参数是需要压栈的，这就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，参数压栈的系统开销比较大，因此就会导致性能的下降。

        所以结构体传参时，要传结构体的地址。

四、结构体实现位段

        结构体讲完了，那我们就来讲一下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.  位段的成员后边有一个冒号和一个数字。

        比如：

struct A
{int _a:2;    //冒号后的数字表示这个成员，要占用的比特位的数量int _b:5;int _c:10;int _d:30;
};

        A在此处就是一个位段类型。那么位段A所占的内存大小是多少呢？

        我们来看看画图分析：

        最后我们可以推知：所占内存大小为8字节。

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 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？

        我们在VS2013环境下测试数据如下：

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位及其下最大为16 , 32位机器最大为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。

        因此我们可以做出总结：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所在。

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。

4.5  位段使用的注意事项

        位段的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。

        所以我们不能对位段中的成员使用&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，然后直接赋值给位段的成员。代码如下所示：

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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总结

        以上就是本期博客的全部内容了。下一期博客我将为大家介绍联合和枚举类型的相关内容，敬请期待！