C语言——自定义类型:结构体
- 前言
- 正文
- 1. 结构体类型的声明
- 1.1 结构体介绍
- 1.1.1 结构的声明
- 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
- 2. 结构体内存对齐
- 2.1 对齐规则
- 练习一解释
- 练习二解释
- 练习三解释
- 练习四解释
- 2.2 为什么存在内存对齐?
- 2.3 修改默认对齐数
- 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
- 4.4 位段的应用
- 4.5 位段使用的注意事项
- 总结
前言
本文主要介绍： 结构体类型的声明、. 结构体变量的创建和初始化、 结构成员访问操作符、 结构体内存对齐、结构体传参以及结构体实现位段。
正文
1. 结构体类型的声明
1.1 结构体介绍
C语⾔已经提供了内置类型，如：char、short、int、long、float、double等，但如果单一类型有时无法完全描述一个事物，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。
1.1.1 结构的声明
struct tag
{
member-list;
}variable-list;
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
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。
struct
{
int a;
char b;
float c;
}x;//匿名结构体类型
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)。
这里要注意，尽管结构体里面的数据类型完全一致，但p = &x;是非法的。编译器会把上面的两个声明当成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，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。
typedef struct
{
int data;
Node* next;
}Node;
上述代码不行，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。这也是一个特别热门的考点:结构体内存对齐。
2.1 对齐规则
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
//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;//嵌套结构体成员
double d;
};
printf("%d\n", sizeof(struct S4));
练习一解释
练习二解释
练习三解释
练习四解释
2.2 为什么存在内存对齐?
- 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。
在设计结构体的时候，既要满足对齐，又要节省空间，可以让占用空间小的成员尽量集中在一起。
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。
#include <stdio.h>
#pragma pack(1)//设置默认对齐数为1
struct S
{
char c1;
int i;
char c2;
};
#pragma pack()//取消设置的对齐数,还原为默认
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
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。
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
4.1 什么是位段
位段的声明和结构是类似的，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。
struct A
{
int _a:2;
int _b:5;
int _c:10;
int _d:30;
};
A就是一个位段类型。位段A所占内存的大小可以通过printf("%d\n", sizeof(struct A));来获取。
4.2 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。
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;
4.3 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。
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
在网络协议中，IP数据报的格式很多属性只需要几个bit位就能描述，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;
}
总结
结构体是十分重要的内容，对于以后学习数据结构有十分重要的作用，所有要认真学习，希望三联支持一下