【C语言】自定义类型：结构体

目录

1.  结构体类型的声明

1.1.  结构的一般声明

1.2.  结构的特殊声明 

2.  结构体变量的创建和初始化

3.  结构体的自引用 

4.  结构体内存对齐

4.1.  对其规则（面试考点）

4.2.  为什么存在内存对齐？ 

4.2.1.  平台原因（移植原因）

4.2.2.  性能原因

4.3.  修改默认对齐数 

5.  结构体传参

6.  结构体实现位段 

6.1.  什么是位段？

6.2.  位段的内存分配

6.3.  位段的跨平台问题

6.4.  位段的应用

6.5.  位段使用的注意事项

 ————————————————Take Me Hand ————————————————

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正文开始——

1.  结构体类型的声明

结构体是一种类型，类似于 int、char、double 等，只不过结构体类型是一种自定义类型。

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.  结构的一般声明

1   struct tag
2   {
3       member-list；（成员列表）
4   }variable-list；（变量列表）
5    struct student
6   {
7        char name[20];
8        int  age;
9        char sex;
10  }; //此处分号很重要

1.2.  结构的特殊声明 

1   //匿名结构体类型
2   struct 
3   {
4        member-list；
5   }x；
6  
7
8  struct 
9   {
10       member-list；
11  }*p；
   

上面的结构体没有类型名，故称为匿名结构体类型，其中成员变量相同。分别创建了x，*p这两个结构体变量，思考下面的代码是否合理？

1   p = &x；

答案是：不合理。编译器会认为上面的匿名结构体是两种不同的类型。

同时还要注意：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。

2.  结构体变量的创建和初始化

3.  结构体的自引用 

在结构体中包含一个类型为该结构体本身的成员是否可以呢？

比如，定义一个链表的节点，在这个节点处能够找到下一个节点的位置及其数据。

1   struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node next;
5  };

答案是：no。如果可以的话 ，sizeof（struct Node）的大小是多少？如果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大，不合理。

1   struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node* next;
5  };

 

【注意】

在结构体自引用的过程中，夹杂了 typedef 对匿名结构体类型重命名，这里需要注意。

1   typedef struct 
2  {
3	int data;
4	Node* next;
5  }Node;

这里对结构体进行了重命名（Node），但是在匿名结构体内部提前使用 Node 类型来提前创建成员变量，这不可以。所以定义结构体不要使用匿名结构体。

1   typedef struct Node
2  {
3	int data;
4	struct Node* next;
5  }Node;

4.  结构体内存对齐

结构体的大小是多少呢？

在计算其大小之前，我们要了解什么是结构体内存对齐。

4.1.  对其规则（面试考点）

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成员变量大小的较小值。VS默认的对齐数为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。

练习：

4.2.  为什么存在内存对齐？ 

4.2.1.  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去取某些特定类型的数据，否则抛出硬件异常。

4.2.2.  性能原因

数据结构（尤其是栈）应该尽可能的在自然边界上对齐。原因在于，为了访问未对齐的内存，处理器需要做两次内存访问；而对齐的内存只需要一次访问。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。

我们在设计结构体时，既要满足对齐，又要节省空间，我们可以让占用空间小的成员尽量集中在一起

4.3.  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。

结构体在对齐方式不合适时，我们可以自己更改默认对齐数。

5.  结构体传参

1   struct S
2  {
3      int data[1000];
4      int num;
5  }
6
7    struct S s={{1,2,3,4},1000};
8   
9   //结构体传参
10   void print1(struct S s)
11  {
12     printf("%d\n",s.num);
13  }
14  //结构体传址调用
16   void print1(struct S *ps)
17  {
18     printf("%d\n",ps->num);
19  }
20
21   int main()
22  {
23      print1(s);
24      print2(&s);
25      retrun 0;
26  }

上面的 print1 和 print2 这两个函数哪个好呢？

首选 print2函数。

1. 函数传参的时候，参数是需要压栈，会有时间的空间的系统开销。
2. 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，所以会导致性能的下降。

6.  结构体实现位段 

6.1.  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：

1   struct A
2   {
3       int _a:2;
4       int _b:5;
5       int _c:10;
6       int _d:30;
7    }

A就是一个位段类型。

那位段所占内存的大小是多少呢？

6.2.  位段的内存分配

1. 位段的成员可以是 int、signed int、unsigned int 或者 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。

4.  冒号后面的数指的是二进制的比特位，例如，a后面的3，指的是把3转换二进制后只能存储3个比特位。

   1  struct S
   2  {
   3      char a:3;
   4      char b:4;
   5      char c:5;
   6      char d:4;
   7  }
   8   struct S s={0};
   9   s.a=10;
   10  s.b=12;
   11  s.c=3;
   12  s.d=4;

   

6.3.  位段的跨平台问题

1. int 位段被当做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位机器会出现问题）
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，但是有跨平台问题的存在。 

6.4.  位段的应用

在网络协议中，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。

6.5.  位段使用的注意事项

位段中几个成员共用一个字节，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，但是可以先输入放在一个变量中，然后赋值给位段的成员。

1   struct A
2  {
3     int _a:3;
4     int _b:5;
5     int _c:3;
6     int _d:9;
7  }
8
9   int main()
10 {
11    struct A sa = {0};
12    scanf("%d",&sa._b);   //错误示范
13    
14    //正确做法
15    int b = 0;
16    scanf("%d",&b);
17    sa._b = b;
18     return 0;
19  }

---

完——

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 ————————————————Take Me Hand ————————————————

  期待我们下一次的相遇！再见——