C语言从入门到进阶——第20讲：结构体

1. 结构体类型的声明

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 结构的声明

structtag{member-list;}variable-list;

例如描述一个学生：

structStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};//分号不能丢

1.2 结构体变量的创建和初始化

#include<stdio.h>structStu{charname[20];//名字intage;//年龄charsex[5];//性别charid[20];//学号};intmain(){//按照结构体成员的顺序初始化structStus={"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structStus2={.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);return0;}

1.3 结构的特殊声明

在声明结构的时候，可以不完全的声明。比如：

//匿名结构体类型struct{inta;charb;floatc;}x;struct{inta;charb;floatc;}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)。

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。

1.4 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：

structNode{intdata;structNodenext;};

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：

structNode{intdata;structNode*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？

typedefstruct{intdata;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

typedefstructNode{intdata;structNode*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

首先得掌握结构体的对齐规则：

1. 结构体的第1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. 从第2个成员变量开始，都要对齐到某个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
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1structS1{charc1;inti;charc2;};printf("%zu\n",sizeof(structS1));//练习2structS2{charc1;charc2;inti;};printf("%zu\n",sizeof(structS2));//练习3structS3{doubled;charc;inti;};printf("%zu\n",sizeof(structS3));//练习4-结构体嵌套问题structS4{charc1;structS3s3;doubled;};printf("%zu\n",sizeof(structS4));

2.2 为什么存在内存对齐？

大部分的参考资料都是这样说的：

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。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。

那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：
让占用空间小的成员尽量集中在一起

//例如：structS1{charc1;inti;charc2;};structS2{charc1;charc2;inti;};

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>#pragmapack(1)//设置默认对齐数为1structS{charc1;inti;charc2;};#pragmapack()//取消设置的对齐数，还原为默认intmain(){//输出的结果是什么？printf("%d\n",sizeof(structS));return0;}

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

structS{intdata[1000];intnum;};structSs={{1,2,3,4},1000};//结构体传参voidprint1(structSs){printf("%d\n",s.num);}//结构体地址传参voidprint2(structS*ps){printf("%d\n",ps->num);}intmain(){print1(s);//传结构体print2(&s);//传地址return0;}

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

结构体讲完就得讲讲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整型家族类型，比如：char。
2. 位段的成员名后边有一个冒号和一个数字。

比如：

structA{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？

printf("%d\n",sizeof(structA));

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 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。

//一个例子structS{chara:3;charb:4;charc:5;chard:4;};structSs={0};s.a=10;s.b=12;s.c=3;s.d=4;//空间是如何开辟的？

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。

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存在。

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。

structA{int_a:2;int_b:5;int_c:10;int_d:30;};intmain(){structAsa={0};scanf("%d",&sa._b);//这是错误的//正确的示范intb=0;scanf("%d",&b);sa._b=b;return0;}